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多分体现象和多分体病毒的秘密(二)

作者:多分体基因组

病毒学研究

多分体现象、多分体基因组和多分体病毒

多分体病毒和多分体基因组的发现改变了病毒传播的经典理论,即病毒完全感染个体细胞并在其中复制。

为什么会有多分体现象?

多分体病毒是如何进化的?

多分体基因组有哪些优势?


至今为止,虽然我们对多分体病毒已经有了一些研究,但对对多分体病毒和多分体基因组的秘密还不太了解。

为了让我们对多分体病毒有更多的了解,美格君先简要回顾一下病毒生命周期的连续步骤,试图提取并强调与多分体病毒生物学特别相关的经验或理论数据。


法国国家农业研究所的植物病理学家Anne团队确定了多组分病毒的主要的差别和未来的研究方向,以更好地理解这些有趣的生物系统。


1.病毒复制

多分体病毒,就像单体病毒和分段病毒一样,通过多种机制复制,部分取决于其多分体基因组性质。无论病毒复制的分子细节或细胞位置如何,都有两个特定的好处被提出、并建模来解释基因组分割的进化,从而解释分段病毒和多分体病毒的进化。


多分体基因组有哪些优势?

**个好处,推测与复制相关,即将基因组分裂成几个较小的片段应该会导致更快的复制。

这是基于一个显然的事实,即当复制酶的速度恒定时,并且当这种复制酶不是限制因素时,10kb基因组的复制所需的时间是每个5kb的两个片段的复制时间的两倍。

将复制动力学视为基因组长度的一般函数的实验研究似乎证实了这一假设。

然而,** 一项直接将一部分基因组与其在感染细胞培养物中获得的二部分衍生物进行比较的研究无法证实对二部分变体所预期的更快复制。这份对比报告呼吁我们进行更多的研究,比较近等基因的单体和多体病毒,以从经验上证实更快的复制确实有利于分段基因组。

此外,虽然在简单的理论模型和实验设计中,更快的复制可能是一种竞争优势,但在更现实的宿主和生态环境中存在权衡,如毒力和传播之间的权衡,这可能会减少其有益影响。


针对分段基因组提出的第二个与复制相关的好处是,较小的片段是较小的突变靶标。

在这个推测中,当全基因组长度的分子不能产生时,几个小片段可以各自产生未突变的后代。最初用于由易出错的RNA依赖性RNA聚合酶复制的RNA病毒,现在可以将这一论点扩展到植物(双子座和纳米病毒)和动物(circo,denso和细小病毒)的ssDNA病毒,其中突变,替代,并且已经反复记录了与RNA病毒相当的进化率。

比较不同RNA病毒家族突变率的不同研究表明,突变率与基因组长度之间可能存在负相关,表明较小的基因组或片段可以耐受较高的突变频率。相比之下,最近的一份综合研究报告汇编了来自28种病毒物种的91个基因的118个替代率的大型数据集。通过测试替代率,几种病毒基因组特性和生态因素之间的关系,作者得出结论,靶细胞的性质是病毒替代率的**重要预测因子,而基因组长度和基因组分割则不是。


总而言之,似乎可以合理地得出结论,即目前可用的数据并未证实通过更快的复制和/或较小基因组片段更容易的突变逃逸来解释基因组片段进化的假设。

此外,无论未来这场争论的结果如何,这些论点都适用于分段病毒和多分体病毒,因此不能对多分体病毒中片段的单独包裹现象进行解释。


与上述有争议的好处相反,分段基因组的一个复制相关约束是需要在所有片段上具有相似的复制起源和调控元件,以便被复制复合体有效识别和处理。对于许多分段病毒和多分体病毒,例如溴病毒、双生病毒和纳米病毒,已经证明了基因组片段之间存在保守的复制起点。该区域的缺失/突变极大地影响了相应片段的复制效率。

因此,为了协调分布在不同片段上的各种功能,其协同进化是强制性的。虽然这些调控序列的保守性可能会成为分段和多分体病毒基因组的负担,但它也可能促进遗传交换,如下一节所述。


2、病毒基因交换

病毒基因组之间的遗传交换可以直接取决于复制机制。然而,它们也可以通过基因组断裂/修复过程、以及通过分段病毒和多分体病毒的重配而独立于复制。


重配可以定义为两个相关病毒分离株或物种之间同源片段的交换;因此,是一种不涉及分子内交叉的遗传交换形式。当RNA交叉被认为是罕见的,重配被认为是分段RNA基因组中分子内重组的替代品。因此,对于RNA病毒,重配被认为是促进基因交换和清除有害突变、并创造新的有利组合的主要手段。


许多研究从序列数据集的分析中描述了重配的存在,并推测它们在相应病毒的进化史中起着重要作用。特定的重配被证明或推测在动物和植物的分段和多组分病毒中具有更高的适应性,例如流感病毒,蓝舌病毒,番茄斑点萎蔫病毒,黄瓜花叶病毒和几种纳米病毒。然而,其中一些研究表明,重配的潜在优势可能**于病毒基因组的特定部分。例如,在流感病毒或几种植物纳米病毒中,重配似乎有利于一个或两个片段,而其他可能的组合很少出现。


1986年,Bujarski及其同事证明,溴花叶病毒(BMV)是一种多组分(+)ssRNA植物病毒,也可以通过分子内RNA交叉重组。

最近的研究显示,大多数(+)ssRNA病毒的重组率与DNA病毒一样高,并且片段内重组体与多组分病毒中的片段间重组体一样频繁。这些丰富的新数据显示,重组和重配都促进了多组分病毒中频繁的基因交换。


这会如何影响基因组分割已经发展到允许通过重配进行性行为的假说尚不清楚,但已证明的分子内重组的容易程度可能会减轻其权威性。


分子内重组的机制在单部分,分段和多分体病毒之间没有先验的差异,因此不再详细说明。相反,如上文所述,保守复制起点在同一病毒基因组的不同片段中的作用值得在本节中提及,因为它促进了同源驱动的节间重组。这是在高选择压力下对多组分雀麦花叶病毒进行的实验,并且在多组分属纳米病毒科的自然种群中也观察到。

由于这些复制起点有时在同一家族的不同物种中是保守的,因此同源重组事件可能在源自不同物种的异源片段之间矛盾地发生,如先前在实地收集的溴和纳米病毒样品中观察到的。

有人可能会争辩说,编码不同功能的片段之间的这种重组是无意义的。然而,一个合理的“存在理由”可能是促进相关基因组片段之间复制起点的交换。这可能有助于通过将它们的复制起点与它们被掺入的病毒系统快速匹配来传播来自不同菌株或物种的重配片段。


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