埃博拉“病毒工厂”的新面貌

　　

《自然通讯》杂志上的一项新研究为科学家们提供了一个了解埃博拉病毒如何在宿主细胞内复制的重要窗口。这项研究由拉霍亚免疫学研究所(LJI)的科学家领导，揭示了“病毒工厂”的内部工作原理，即在宿主细胞中形成的病毒蛋白质和基因组集群。

研究小组包括来自斯克里普斯研究所和加州大学圣地亚哥分校医学院的专家，他们发现埃博拉病毒的复制机制形成了迷人的微观结构，成为病毒工厂。通过了解这些微观制造中心的结构和功能，研究人员可能更接近于开发中断埃博拉病毒生命周期并预防严重疾病的新疗法。

“我们首次对这些流体和动态装配中心进行成像。LJI总裁兼首席执行官Erica Ollmann sapire博士是这项新研究的资深作者，他说:“了解它们是如何工作的，它们需要什么，这给了我们打败它们所需的信息。”

什么是病毒工厂?

早在20世纪60年代，科学家们就在病毒感染的动物细胞中首次发现了后来被证明是“病毒工厂”的东西，但他们不知道自己看到了什么。在正常细胞蛋白质的海洋中，这些区域看起来像模糊的斑点。

“人们已经看到埃博拉病毒感染的细胞有这些‘内含物’，”LJI博士后研究员Jingru Fang说，很长一段时间以来，科学家们认为这些“内含物”是感染的有用视觉指标，而不了解它们的真正目的。“但事实上，这些‘包涵体’积极地收集了大量的病毒蛋白质和病毒RNA。”

Jingru Fang解释说，许多病毒病原体，包括狂犬病毒和呼吸道合胞病毒(RSV)在宿主细胞中形成包涵体。“最近的研究表明，这些细胞内含物是病毒制造RNA基因组的地方。它们是具有实际功能目的的‘病毒工厂’:为病毒RNA合成提供一个安全的空间，病毒RNA合成的过程涉及病毒构建块的通量。这意味着聚集在病毒工厂内的分子应该能够自由移动，而不是静止不动。”

在这项新研究中，sapphire、Fang和他们的同事想知道:我们能否直接观察活细胞中病毒构件的运动?

Fang首先用荧光标记标记一种叫做VP35的病毒蛋白，这种荧光标记使蛋白质在黑暗中发光。VP35是病毒工厂的关键组成部分，对病毒RNA合成(以及制造埃博拉病毒的新副本)很重要。Fang与LJI显微镜和组织学核心的成像专家合作，跟踪活细胞中的发光蛋白，这些蛋白表达了埃博拉病毒工厂的简化和非传染性版本。

在显微镜下，方和同事确实可以看到甚至测量分子是如何在宿主细胞中形成的病毒工厂内移动的。这一发现进一步证明，病毒蛋白质像液滴一样聚集在一起，这样它们就能大量产生帮助病毒复制所需的蛋白质。这些神秘的内含物实际上是病毒工厂。研究人员将这些病毒工厂称为“液滴状”病毒工厂。

然后科学家们发现了一些奇怪的事情。一些发光的蛋白质并没有聚集成团。相反，它们与少量其他病毒蛋白结合在一起，形成了一个荧光漩涡，让人想起梵高的《星空》(Starry Night)。这些病毒蛋白的痕迹仍然具有复制埃博拉病毒的正确成分，因此科学家们将它们称为“网络状”病毒工厂。

“这是病毒工厂的两种不同形式，人们主要关注的是液滴状的形式，这是大多数，而没有太关注另一种形式。”

除了外形之外，这两家工厂还有一个关键的区别。看起来像网络一样的工厂有合适的成分来表达即将到来的埃博拉病毒的基因，但它们实际上并没有产生病毒的后代。

多任务机器

接下来，研究人员研究了感染的一个关键因素:一种叫做病毒聚合酶的蛋白质。聚合酶是一种随病毒而来的多功能纳米机器。这台机器不仅复制埃博拉病毒基因组物质，还将病毒基因组转录成信使rna，指示受感染的细胞产生大量病毒蛋白质。研究人员想要了解这种病毒机器在病毒工厂内是如何运作的。

众所周知，埃博拉病毒聚合酶是一种工作效率高的蛋白质——所有埃博拉病毒蛋白质都必须如此。埃博拉病毒是一种高效的病原体，因为它只有7个基因(人类有超过2万个基因)。萨菲尔领导的研究表明，埃博拉病毒通过制造可以在感染过程中转化并承担不同工作的蛋白质而存活。

就在去年，sapphire、Fang和合作者发表了一项相关发现，即病毒聚合酶实际上利用一种可药物化的人类蛋白质来帮助病毒复制其基因组。研究小组报告说，虽然聚合酶对病毒复制至关重要，但在感染进行得很好之前，聚合酶实际上并不会立即发挥作用。

这项工作对于了解聚合酶如何发挥作用非常重要，但科学家也需要知道聚合酶在哪里活跃。方知道，研究聚合酶在病毒工厂中的作用是很重要的。

研究人员发现，聚合酶实际上在病毒工厂内构建了自己的特殊结构。聚合酶的许多拷贝聚集成小束，称为灶。研究人员发现，当一个液滴状的病毒工厂开始复制病毒物质时，这些束就会散开。

科学家们不确定为什么聚合酶在完成工作之前需要形成束，但是束的空间排列一定很重要。正如方所指出的那样，许多小部件聚集在一起构建一个结构的想法在本质上并不是一个新概念。她说:“你可以用蜂巢或珊瑚礁来类比，以帮助理解为什么特定的空间安排对生物系统的功能很重要。”

有了这一发现，科学家们现在知道如何找到不同种类的病毒工厂，以及聚合酶如何在工厂车间组织自己。

反击

已知有30多种人类病原体在宿主细胞内组装病毒工厂，包括呼吸道合胞病毒(RSV)甚至狂犬病毒。有了这个关于埃博拉病毒工厂的新观点，科学家们很好奇其他病毒是否也会构建类似形式的病毒工厂，以及其他病毒是否也会以同样的方式使用它们自己的聚合酶。

“如果这是真的，也许我们可以瞄准多种不同病毒共有的病毒工厂形成的特征，”Jingru Fang说。

展望未来，Jingru Fang还想研究埃博拉病毒如何在不同种类的宿主细胞中形成病毒工厂。这些病毒工厂在细胞中与动物(如病毒的天然宿主，果蝠)的细胞中看起来不同吗?她问道:“我们能找到一些关于宿主特异性病毒发病机制的解释吗?”

这项新研究还证明了圣地亚哥托里松台地合作的重要性。LJI团队与斯克里普斯研究所教授Ashok Deniz博士和加州大学圣地亚哥分校教授Mark H. Ellisman博士(国家显微镜和成像研究中心主任)密切合作。

sapire说:“Torrey Pines台地上最先进的工具的结合使我们能够将生物物理特征与人类健康洞察力结合起来。

文章标题

Spatial and functional arrangement of Ebola virus polymerase inside phase-separated viral factories