Cell|新技術讓我們看得到RNA病毒翻譯和複製的動力學過程

撰文 | Victoria

責編 | 兮

我們耳熟能詳的冠狀病毒、寨卡病毒、諾如病毒、登革熱病毒等等都是正鏈RNA（+RNA）病毒家族的成員，這一年來，我們已經看到，+RNA病毒感染帶來的不僅僅是健康威脅、還有巨大的社會負擔。然而，針對大多數+RNA病毒感染的治療方案，目前看來是太少了。

大多數+RNA病毒侵入宿主細胞後會執行病毒RNA（vRNA）的翻譯、複製、包裝等多個過程，這些過程的切換對於病毒後續的繁殖至關重要【1,2】，但是翻譯複製切換的機制是什麼，目前還不清楚。

與此同時，細胞自己也有一套檢測和控制病毒感染的機制，然而，道高一尺魔高一丈，許多RNA病毒會關閉宿主的翻譯和轉錄，妨礙宿主抗病毒反應。因此，病毒感染能夠成功是否就取決於最初幾個小時中病毒翻譯複製和宿主抗病毒信號間的動力學競爭呢？然而，目前的方法還無法靈敏地對病毒入侵初期的變化進行觀察。

2020年11月13日，荷蘭烏得勒支大學Frank J.M. van Kuppeveld 和Marvin E. Tanenbaum研究團隊聯合在Cell雜誌上發表題為Translation and Replication Dynamics of Single RNA Viruses的研究論文，在這篇論文中，作者開發了一種新的單分子成像分析技術—VIRIM，以此來研究+RNA病毒的翻譯、複製，以及病毒與宿主的相互作用，利用這項技術，作者既觀察到了病毒在翻譯和複製過程中的動力學特徵，又找到了其中的瓶頸，為未來抗病毒的研究提示了可能的切入點。

作者開發的這種新的單分子成像技術VIRIM全稱為病毒感染實時成像（virus infection real-time imaging）技術，用以研究單個RNA病毒在活細胞中的翻譯和複製，這項技術的基礎是作者在2014年開發出的SunTag螢光報告系統【3】，作者將N端5個SunTag重複序列插入腸病毒CVB3，SunTag-CVB3完全能夠再現野生型CVB3感染的動態過程，實現螢光實時成像（圖1）。

圖1：單分子成像技術VIRIM原理圖

這個成像系統幫助作者觀察到了CVB3感染的翻譯和複製中相互協調的動力學過程（圖2）。在大多數RNA病毒的傳播過程中，先天抗病毒應答中最顯著的是IFN信號轉導【4】。作者檢測了IFN信號隨病毒感染時間的變化，發現病毒與宿主之間的競爭發生在感染早期，CVB3誘導的宿主細胞變化在感染後迅速發生，IFN信號阻滯、宿主細胞翻譯停止以及核轉運障礙在感染後幾分鐘內出現，1～3小時內完成病毒的初次感染。作者將這種感染過程在宮頸癌細胞、肺癌細胞、腸道類器官中都做了驗證，證明了病毒感染的動力學過程具有普適性。但是在同一時間，單個細胞之間是具有異質性的。

圖2：早期CVB3感染的5個階段（phase1是vRNA的翻譯；phase2是vRNA的複製；phase3是新和成的+RNA的翻譯；phase4中的+RNA在準備新一輪的複製，同時一部分vRNA還在複製；phase5又是一波新+RNA的合成和翻譯。）

利用VIRIM技術，作者還確定了病毒成功感染的重要瓶頸。病毒RNA一旦成功複製，病毒就會大量複製；而如果轉入的病毒RNA複製失敗，病毒感染就會消失。因此，vRNA的複製是早期抗病毒信號的重要事件，同時，也是宿主發揮其抗病毒活性的重要靶點，這段時間的病毒信號轉導過程也是未來需要深入研究的問題。

圖3：作者的思路圖

病毒感染的單分子成像技術VIRIM是研究病毒複製和病毒與宿主相互作用的有力工具，它能夠讓我們觀察到病毒生命周期不同階段的不同狀態（圖3），作者認為這項技術可以廣泛應用於多種RNA病毒的研究。同時，作者推測自己的新技術未來還可以用於觀察解析抗病毒藥物的作用機制，幫助篩選在病毒早期感染時具有特定作用的新藥物。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.019

製版人：十一

參考文獻

1. Baggen, J., Thibaut, H.J., Strating, J.R.P.M., and van Kuppeveld, F.J.M. (2018). The life cycle of non-polio enteroviruses and how to target it. Nat. Rev. Microbiol. 16, 368–381.

2. de Wit, E., van Doremalen, N., Falzarano, D., and Munster, V.J. (2016). SARS and MERS: recent insights into emerging coronaviruses. Nat. Rev. Microbiol. 14, 523–534.

3. Tanenbaum, M.E., Gilbert, L.A., Qi, L.S., Weissman, J.S., and Vale, R.D. (2014). A protein-tagging system for signal amplification in gene expression and fluorescence imaging. Cell 159, 635–646.

4. Belkowski, L.S., and Sen, G.C. (1987). Inhibition of vesicular stomatitis viral mRNA synthesis by interferons. J. Virol. 61, 653–660.