巨型病毒是如何釋放DNA物質感染細胞的?

2020-12-05 新浪科技

來源：新浪科技

圖中顯微鏡呈現圖邦病毒打開星門感染一隻阿米巴原蟲。

新浪科技訊 北京時間6月15日消息，據國外媒體報導，目前，科學家結合多項技術研究巨型病毒如何釋放它們的DNA，滲透並感染細胞組織。

巨型病毒是指比普遍感冒病毒體型大10倍以上的病毒，它們會滲透到細胞中，通過一種叫做「星門（stargate）」的特殊組織釋放自己的DNA。現在最新詳細的圖像揭曉了巨型病毒星門如何打開，以及實現病毒感染細胞組織的過程。

病毒無論大小，都缺乏複製其DNA所需的機制，病毒微生物本質上就是一卷卷遺傳物質塞入一個密封衣殼中，為了生存下來，病毒必須潛入宿主細胞，破壞其內部機制，並建立一個病毒工廠生產新的病毒。巨型病毒有一個特殊的感染通道——星門。

星門的外型像長有5條腿的伸展海星，它位於病毒表面，在其生命周期大部分時間都處於封閉狀態。一旦病毒進入宿主細胞，病毒星門的每條腿都會「解壓」，使得病毒遺傳物質通過星門釋放出來。目前，該項研究報告發表在5月8日出版的《細胞》雜誌上，最新研究表明，病毒星門開啟是對酸度、鹽度和高溫環境條件的反應。

神秘病毒體積比普通感冒病毒大10倍

科學家是近些年才開始了解這些巨型病毒，據《科學》雜誌報導，首次描述巨型病毒是2003年。在2003年發表的研究報告中，巨型病毒是從20世紀90年代初採集的水樣中分離出來的，當時科學家未仔細檢查這些病毒的遺傳密碼。在收集的時候，他們還無法肯定它們一定是病毒，因為它們的體積很大，其直徑超過300納米，比普通的感冒病毒大10倍。

最終在科學家發現它們10年之後才確定這是巨型病毒，當鑑別技術成熟後，研究人員採集分析該病毒樣本，發現它們缺乏核糖核酸RNA，這是一種關鍵分子，允許細菌構建自己的蛋白質，而病毒則無法獨自完成。

由於最初發現的巨型病毒是在西伯利亞融化的永久凍土層、南極海洋深處以及高鹼性湖泊等極端環境，因此科學家發現這些病毒多數情況下是感染阿米巴原蟲和浮遊生物，但是實驗室研究表明它們能夠感染動物細胞，包括嚙齒類動物和人類細胞。但迄今並沒有相關證據表明巨型病毒與人類疾病存在直接聯繫。

例如外型像20面骰子的巨型病毒，其中包括：擬菌病毒、南極病毒、桑巴病毒和圖邦病毒（Tupanvirus）。這些病毒的結構和外殼非常複雜，在病毒領域中未曾發現，病毒表面的星門組織尤其吸引科學家，因為它的結構非常漂亮，並且呈對稱結構，之前未發現較小病毒存在此類結構。但在此之前如何刺激巨型病毒打開星門仍是一個未解謎團。

打開星門

研究小組發現有3種情況導致了巨型病毒的星門開啟：低pH值、高鹽濃度和100攝氏度以上的高溫條件。

在星門打開之前，巨型病毒會在一個叫做「吞噬作用」的過程被細胞吞噬，當流感病毒等小型病毒將它們的脂肪膜和感染細胞融合在一起時，巨型病毒的整個外殼被吞噬，從而滲透至細胞中。

一旦進入細胞中，巨型病毒就會打開它們的星門，釋放出具有傳染性的「種子」，這是從質粒載體下載的完整結構，或者說這是病毒DNA環狀結構，巨型病毒將進入細胞質、蛋白質水溶液、或者包含真核細胞器的鹽水溶液，該過程將使細胞引發感染。

在之前的研究中，研究人員通過將受感染的細胞切成薄片，並研究其中的成分來分析病毒如何感染細胞，除非人們碰巧捕捉到星門開啟的「瞬間快照」，否則切片拍攝技術很難識別病毒感染細胞的過程。

為了克服這個障礙，研究人員設計了一種策略來觸發細胞外巨型病毒感染過程，並對該過程的每一階段進行拍攝成像。

分離出巨型病毒之後，研究小組對每個病毒樣本進行不同的化學分析和環境處理，試圖模擬可能在細胞內發生感染的條件。例如：病毒被細胞吞噬後，它們會位於一個叫做液泡的細胞膜泡，液泡呈酸性（低pH值）。

之後研究小組將處理後的巨型病毒放置在低溫電子顯微鏡下觀察，該顯微鏡通過樣本傳輸負電荷粒子束來捕捉原子解析度圖像，他們還使用掃描電子顯微鏡對樣本進行掃描，從而獲得病毒表面的詳細圖像。

研究小組發現有3種情況導致了巨型病毒的星門開啟：低pH值、高鹽濃度和100攝氏度以上的高溫條件。

在隔離狀態下，低pH值或者高鹽濃度條件能促使巨型病毒開啟星門，但並未處於完全打開狀態。極高溫條件可促使星門完全開啟，但在細胞真實生存條件下不太可能達到沸點溫度，更有可能的是，高溫條件模擬了宿主環境中發生的其他影響，例如：某種特定酶的存在。

在許多情況下，巨型病毒會拒絕打開它們的星門，然而，一旦研究人員掌握了「正確鑰匙」，星門就會被完美地打開，這就像一粒堅硬的種子在水中發芽一樣。在之前的實驗室工作中，我們預測低pH值和高鹽濃度溶液條件下會導致星門打開。

仍有許多謎團未揭曉

通過技術方式開啟星門之後，研究小組繼續研究蛋白質和遺傳物質如何從病毒中釋放出來，他們特別關注桑巴病毒和圖邦病毒，使用一種叫做「質譜分析法」的技術推斷不同蛋白質的結構。

在巨型病毒脫殼過程中蛋白質將釋放出來，這很可能與病毒感染細胞的初期有關，包括宿主反應停止和病毒工廠組裝。然而，從病毒衣殼中釋放的許多病毒蛋白質是未知的，它們的功能仍有待深入研究。

研究中涉及的外型像20面骰子的病毒僅代表一種巨型病毒，基於同樣的研究方法也可以用於分析其他許多物種，包括從未描述過的基因組和粒子，目前巨型病毒包含的基因和蛋白質與細胞世界中的任何組織都不相似，甚至包括其他病毒，未來的研究方向可能揭曉這些病毒是何時、如何實現首次進化，以及為什麼它們與更常見的生命形式存在較大差異。（葉傾城）

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