超分辨率显微镜看见了细胞内病毒复制的高分辨率视图

　　

斯坦福大学的一个研究小组在《Nature Communications》上报告说，一项关于SARS-CoV-2病毒如何在细胞中复制的纳米级新研究可能会为药物开发提供更高的精度。利用先进的显微镜技术，研究人员制作了一些可能是最清晰的病毒RNA和复制结构的图像，他们看到这些图像在受感染细胞的细胞核周围形成球形。

斯坦福大学工程学院和医学院生物工程副教授、该论文的资深作者之一Stanley Qi说：“我们以前从未见过如此高分辨率的COVID感染细胞，也不知道我们正在研究什么。随着时间的推移，能够以这种高分辨率了解你所看到的东西，从根本上有助于病毒学和未来的病毒研究，包括抗病毒药物的开发。”

闪烁的RNA

这项工作阐明了病毒在宿主细胞内活动的分子尺度细节。为了传播，病毒基本上接管了细胞，并将它们转化为具有特殊复制细胞器的病毒制造工厂。在这个工厂里，病毒RNA需要一遍又一遍地复制自己，直到收集到足够的遗传物质，然后转移出去感染新细胞，重新开始这个过程。

斯坦福大学的科学家们试图以迄今为止最清晰的细节揭示这一复制步骤。为了做到这一点，他们首先用不同颜色的荧光分子标记病毒RNA和复制相关蛋白。但是在传统的显微镜下，单独成像发光的RNA会导致模糊的斑点。所以他们添加了一种暂时抑制荧光的化学物质。然后这些分子会在随机的时间重新闪烁，一次只有少数几个亮起来。这样就更容易精确定位闪光，从而揭示单个分子的位置。

研究人员使用一种装置，包括激光、强大的显微镜和每10毫秒拍摄一张照片的相机，收集了闪烁分子的快照。当他们将这些图像组合在一起时，他们能够创建出精细的照片，显示病毒RNA和细胞中的复制结构。“我们有高度敏感和特定的方法，也有高分辨率，”共同主要作者、斯坦福大学化学博士后学者Leonid Andronov说。“你可以看到细胞内的一个病毒分子。”

由此产生的图像分辨率为10纳米，揭示了病毒如何在细胞内自我复制的最详细视图。图像显示洋红色的RNA在细胞核周围形成团块，这些团块聚集成一个大的重复图案。“我们是第一个发现病毒基因组RNA在高分辨率下形成独特的球形结构的人，”共同主要作者、斯坦福大学生物工程博士后学者Mengting Han说。

该论文的共同资深作者、化学教授W. E. Moerner说：”这些集群有助于展示病毒是如何避开细胞防御的。它们被收集在一层膜内，将它们与细胞的其他部分隔离开来，这样它们就不会受到细胞其他部分的攻击。”

纳米级药物测试

与使用电子显微镜相比，新的成像技术可以让研究人员更确定地知道病毒成分在细胞中的位置，这要归功于闪烁的荧光标签。它还可以提供在通过生化分析进行的医学研究中不可见的细胞过程的纳米级细节。莫尔纳说，传统技术“与这些物体在细胞中实际位置的空间记录完全不同，分辨率要高得多。基于荧光标记，我们有一个优势，因为我们知道我们的光来自哪里。”

确切地了解病毒感染的阶段为医学带来了希望。观察不同的病毒如何接管细胞可能有助于回答一些问题，比如为什么有些病原体产生轻微症状，而另一些则危及生命。超分辨率显微镜还可以用于药物开发。“这种复制细胞器的纳米级结构可以为我们提供一些新的治疗靶点，”Han说。“我们可以用这种方法筛选不同的药物，并观察其对纳米级结构的影响。”

事实上，这正是该团队计划要做的。他们将重复这个实验，看看病毒结构在Paxlovid或remdesivir等药物的作用下是如何变化的。如果一种候选药物可以抑制病毒复制步骤，这表明这种药物可以有效地抑制病原体，使宿主更容易对抗感染。

研究人员还计划绘制构成SARS-CoV-2的所有29种蛋白质的图谱，并观察这些蛋白质在感染期间的作用。“我们希望我们能做好准备，在下一个挑战中真正使用这些方法，以便快速看到内部发生了什么，并更好地了解它。”