病毒感染细胞的最新线索

　　

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最近，在基因治疗和抗感染药物的研究领域中，Berkeley实验室的物理生物科学分公司（领导人员为Carlos Bustamante）经过研究，发现了一种病毒感染机制，他们认为至少有几种DNA病毒是通过这种机制感染细胞的。这个机制牵涉到目前最为有力的生物分子运动原之一。

“一个这样的运动原可承载大约57－60皮牛顿（10－12）的力量，在整个人类机体内，它们的合力足以举起六艘航空母舰。” Bustamante说。他是一个生物物理学家，负责着Berkeley实验室和加州大学伯克利分校之间的合作项目，同时还兼任Howard Hughes医学院的研究员。

生物分子运动原的化学本质是一种蛋白质，变形后可产生力量或扭矩。就像小型发动机一样，生物分子运动原种类繁多，且执行着一系列生物功能，其中绝大部分与运动功能和物质运输有关。有一项功能就是将病毒的卷曲DNA“包装”进一种保护性的外壳（或称“衣壳”）内，这些病毒包括肝炎病毒，水痘病毒，带状疱疹病毒，等等。Bustamante等所指的生物分子运动原对于噬菌体φ29(一种能够感染并破坏宿主细菌的病毒)入侵细菌是必不可少的。研究人员普遍认为，这是一个非常良好的病毒研究模型。

“这种运动原可以将噬菌体φ29的DNA压缩6000倍。” Bustamante说。“而这样的压缩就产生了一种内压，可达60个大气压大小－简直十倍于香槟酒瓶的内部压力。”

Bustamante研究小组提出了一个假设：就像香槟酒中的压力能够冲开软木塞一样，那么在噬菌体φ29入侵细胞时，这种内在的压力也可使衣壳内的DNA射入细胞。一般而言，无论是在植物，动物，还是细菌中，病毒都不可能在脱离活体细胞的情况下存活、繁殖；而噬菌体φ29则不同，它能将自身的DNA引入宿主细菌细胞内，并在其中不断自我繁殖。在病毒感染细胞后，它可将自身的DNA整合到细菌中，从而影响了其复制过程，并指导这种细菌制造出病毒成分。病毒在细胞内大量繁殖，最后可导致细胞裂解，释放出新的病毒，然后再去感染其他细菌。

“了解了这种DNA的包装过程，我们就能设计出一些更为精确的药物，干扰病毒感染过程中的包装程序。也许这样能够有效阻止病毒的感染。” Bustamante说。“当然，这方面的技术也可应用到基因疗法中－因为我们可以通过这种技术将新的遗传物质运送到目的细胞中去。”

上述研究结果已经在2001年10月18日的Nature杂志上发表。其主要作者除Bustamante外，还有Doug Smith，目前在加州大学圣地亚哥分校工作；Sander Tans，目前在阿姆斯特丹的原子分子物理研究所工作；Steven Smith，目前在加州大学伯克利分校工作；以及明尼苏达大学的Shelley Grimes和Dwight Anderson。

“我要感谢Dwight Anderson的实验室。正是由于我们两个实验室之间的紧密合作，我们才得以完成上述研究工作。” Bustamante说。“在研究成功的的背后，是两个实验室付出的辛勤而杰出的劳动。”

为了观察噬菌体φ29运动原的能量强度，研究小组使用了一个独特的测量仪器“光学镊（optical tweezers）”，这是Bustamante实验室的Steve Smith设计的。在阻止包装之前，研究人员预先利用已经部分装入DNA的衣壳，测定出未经包装的DNA序列，并在一对微型聚苯乙烯珠之间鉴定出已经包装的衣壳。

随后，研究人员们用吸管固定衣壳结合处的微粒珠，并用光学镊处理DNA结合处的微粒珠。这种光学镊可发出激光束，捕获并移动目的微粒珠。

ATP（三磷酸腺苷）是多数生物活动的必须“燃料”，研究人员在试管内加入ATP后，即可实时观察病毒DNA的包装过程，同时测量噬菌体φ29生物分子运动原的所需能量。最后他们计算出包装过程中的能量消耗总量，DNA的内部总压，以及在感染瞬间DNA射出衣壳进入细菌的所需势能。

“每个运动原最多能释放出57－60皮牛顿的能量，它们的总和能量是无比巨大的。” Bustamante说。“问题是，在包装过程中到底发生了哪些具体事件？我们认为，这些能量可能在噬菌体头部聚积起来，并在随后的感染过程中迅速释放，使得DNA能够成功射出。”

Bustamante研究小组打算在随后而来的研究中探讨几个有关的基本问题。其中一个问题就是：上述运动原是不是旋转型生物分子运动原－这种运动原能够与DNA的移位部位进行旋转结合－家族中的一个新成员？

加州大学圣地亚哥分校的Doug Smith表示,“这种运动原由两个蛋白质环夹着一个直径10毫微米的RNA分子环构成，结构相当复杂，而且与以往研究的任何一种运动原都不相同。我们猜想这些环状旋转可以与双螺旋DNA的入口相吻合，正如螺母与螺钉之间的配合。"

美国能源部，美国国立卫生院，美国科学基金会为以上的研究提供了研究经费。（基因潮译）