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多分体现象和多分体病毒的秘密(四)

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

多分体病毒的发现,多分体现象、多分体基因组的进化和生存机制吸引了科学家的关注。

前面几节美格君介绍了法国植物病理学家Anne在这方面的一些研究成果,下面我们继续多分体病毒、多分体基因组的神奇之旅。


4、病毒包装/包壳

病毒生命周期的这一步骤在本综述中非常重要,因为它显着区分了分段病毒和多分体病毒。这些似乎是相反的策略:在前者中,病毒将其整个遗传信息包装在一个粒子中,从而强制它在宿主内和宿主之间一起传播;在后者中,显然不是。

分段病毒

分段病毒在包被时有一个特定的限制,即对不同的片段进行排序,以确保每个单个颗粒中至少存在一个片段。

完成这一过程的分子手段已被科学家部分理解。记录**的病例是流感病毒和噬菌体Phi6。这些片段具有不同、且互补的包装信号序列,可诱导特定的二级RNA折叠,并与结构蛋白及时协同相互作用,从而确保每个病毒粒子每个片段的一个拷贝的分选。虽然这种精确调节的过程在噬菌体Phi6中是高效的,但在流感病毒的情况下似乎更具可变性,其中一些研究报道了具有完整片段的病毒粒子,其他研究证明却显示了缺失片段和/或重复片段的病毒粒子。一个引人注目的对比案例是传染性法氏囊病病毒,其基因组由两个RNA片段组成,但病毒粒子中有足够的空间包裹多达四个。这个额外的空间允许共同包装两个片段的多个拷贝,而不需要特定的排序,显然是随机确保产生的病毒颗粒的比例足够高,每个片段至少有一个拷贝。最近的研究已经证明了裂谷热病毒三个部分的类似非选择性包装。


多分体病毒/多组分病毒

先验多组分病毒不必在包裹时对片段进行分类;它们可以使用与单体病毒类似的机制进行包裹,包裹片段的频率直接取决于细胞内产生这些片段的频率。至于单体病毒,多分体基因组病毒片段的特定包装依赖于组装信号序列的存在。

然而,与单体病毒的一个显着区别是,相同的外壳蛋白必须适应不同大小,序列和二级/三级结构片段的包装。多组分病毒颗粒可以是球形(Partitiviridae,Nanoviridae,Begomovirus,Secoviridae,Idaeovirus等),杆状(Ourmiavirus,Alfamovirus等),杆状(Virgaviridae,水痘病毒,Benyvirus等)或丝状(Closteroviridae,Potyviridae)(表1)。虽然杆状,杆菌状和丝状病毒可以通过相应地调整病毒颗粒的长度来轻松容纳不同大小的片段,但具有二十面体结构的病毒存在物理限制。在用对称性T=3(的豇豆褪绿斑驳病毒(CCMV)外壳蛋白制备的颗粒的体外研究中发现了这种约束的一个很好的例子。这些颗粒可以包裹100至12000个碱基长的RNA片段,但它们优先包装一个或多个总大小约为3.2 kb的RNA片段,始终形成**蛋白质/RNA比为6/1,这与该病毒的自然情况相对应。


在一些二十面体病毒物种中,所有片段都具有相当的大小,表明这种大小对于有效包装和颗粒稳定性可能是**的。

这对于ssDNA多组分纳米病毒尤其引人注目,其中所有描述的物种中的八个基因组片段在920和1022 nt之间变化。植物的ssDNA二分双生病毒和昆虫的双病毒也有两个相似大小的基因组片段,**个片段约为2.7 kb,第二个片段约为6 kb。然而,在其他情况下,包裹在二十面体颗粒中的片段的大小可以变化很大。在溴病毒科的许多物种中,RNA 1、2、3和4分别约为3、3、2和1 kb。这在某种程度上是有趣的,因为理论上它可以在单个粒子中包裹两个或多个短片段。说明这一点的一个案例研究是雀麦花叶病毒(BMV),其中一些颗粒含有一份RNA-1或一份RNA-2(每个约3 kb),而另一些颗粒含有一份RNA-3和一份RNA-4,总计约3 kb。最近的研究表明,BMV的情况更加复杂,因为已经发现了一些较小的病毒颗粒,也可能容纳RNA-3或RNA-4的单拷贝。


一旦被包裹,不同的BMV基因组片段和衣壳之间发生的不同相互作用,由包装RNA的不同3D结构产生,可以产生不同的病毒颗粒稳定性。这种差异实际上可能构成多重包裹的优势,因为它可能调节RNA释放的不同时间,从而调节基因表达的动力学。同样,在杆状或丝状颗粒中,与不同大小颗粒的分解相关的可能的时间偏移可能参与基因表达的时间调节。不幸的是,到目前为止,这种可能性仅针对BMV提出,需要进一步的工作来确定这是否是多分体病毒系统的一般特征。


关于口蹄疫病毒(FMDV)实验进化的报告可能与类似的包裹限制问题有关。通过在感染复数升高的细胞培养物中反复传代,Ojosnegros及其同事观察到,两个相互补充的缺陷分子可以胜过其祖先的单体FMDV。这种二分衍生物的选择性优势被证明与包装较小RNA片段的病毒颗粒的更高稳定性和感染性有关,而与更快的复制无关。因此,作者提出,基因组分割,更具体地说,多包( multi-encapsidation, 衣壳化)在某些情况下可能是由于片段长度和颗粒稳定性之间的权衡。虽然已经表明粒径与基因组长度相关,但基因组长度与颗粒稳定性之间没有明显的一般相关性。因此,Anne认为分段FMDV变体接管单体亲本基因组的情况可能是一个具体的例子,与实验条件有关,并且很难作为解释多分体病毒进化的一般规则进行扩展。也许应该始终如一地注意到,这项口蹄疫实验是用脊椎动物病毒进行的,其中从未描述过多分体自然系统。

最后一个最明确的论点,反对基因组多包被作为一种保持超大基因组颗粒稳定性的方法,

(i)多分体病毒不一定比单组分病毒具有更长的基因组,

(ii)它们有时包被比一些单组分病毒的整个基因组更长的片段(图1)。


三种病毒基因组组织中的基因组或片段大小比较

图1 三种病毒基因组组织中的基因组或片段大小比较。


图1列出的科或属是那些在基因组结构上有显着差异的科或属。并不是所有的病毒家族都出现在这个图中。Anne选择了总基因组大小范围较大的家族,但避开了那些基因组巨大的单体病毒群,这会压缩太多的图形规模。该图还显示了包含单体和多分体成员物种的病毒家族。全基因组和单个片段的大小范围分别用黑色和灰色线表示。

所有尺寸数据均来自网站(http://viralzone.expasy.org/),来自第九届国际病毒分类委员会(ICTV)报告,以及特定文献。

*除Tobamovirus属外,Virgiviridae科的所有属都由多部分病毒组成。

**Begomovirus属由单体和二分体病毒组成。

***除Crinivirus属外,Closteroviridae科的所有属均由单体病毒组成。

****除双生病毒属外,双生病毒科的所有属均由单体病毒属组成。

*****除Bymovirus属外,Potyviridae科的所有属均由单体病毒组成。


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