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多分体现象和多分体病毒的秘密(五)

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、多分体基因组、多分体现象非常神奇。

前面4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,下面我们继续分享Anne教授对多分体病毒、多分体基因组的见解。


5、宿主内部移动

当病毒从一个细胞移动到另一个细胞、或跨越很远的距离、系统地定殖宿主时,转移其所有的基因组信息的问题成为区分多分体病毒与分段病毒和单体病毒的真正问题。事实上,对于后两者,整个遗传信息可能作为一个整体移动,打包为单个病毒粒子内的完整信息单元。相比之下,多组分病毒将其遗传信息包装在不同的病毒颗粒中,这些病毒颗粒必须以某种方式聚集在一起才能引发感染。因此,本节中的关注的问题是,在多分体病毒的已知宿主内传播机制中是否出现了一些引人注目的特定特征。


现有的分子和细胞数据表明,寄主植物内的病毒传输是多种多样的。

一些植物病毒物种作为成熟的病毒颗粒在细胞间和远距离移动。

其它的可以作为核蛋白复合物在细胞间移动,而核蛋白复合物不能组装成成熟的病毒颗粒,这只是长距离移动所必需的。

最后,在极少数情况下,一些病毒物种可以作为核蛋白复合物在细胞间和植物脉管系统中传播,甚至不含外壳蛋白。

所有这三种情况都在单体和多分体病毒中被提出。例如,单体花椰菜花叶病毒和多分体豇豆花叶病毒作为成熟的病毒粒子在细胞间和远距离移动。另一方面,单体番茄浓密矮化病毒和双体卷心菜曲叶病毒在没有外壳蛋白的情况下,在细胞间和远距离移动。


无论实际运输的病毒形式如何,由于有与胞间连丝的尺寸大小相关的限制,植物病毒已经进化出不同的特定机制,以确保它们通过相邻细胞、并进入脉管系统,所有这些都取决于一种或多种运动蛋白。通过与多种宿主因子的复杂相互作用,其中一些运动蛋白扩大了胞间连丝的大小,允许感染性物质通过,而另一些则聚合成管状结构,充当注射器,将病毒注入邻近细胞。这些不同的作用模式由多分体,分段和单体病毒共享,因此,目前的数据并没有将多分体病毒的运动机制与其他病毒的运动机制区分开来。这一结论的另一个说明性例子是Melcher于2000年建立的30K超家族病毒运动蛋白的进化树。在图1中,很明显看到,这些30K运动蛋白之间的相关性不依赖于相应病毒的基因组组织。


蛋白的进化树1.png

图1. 30K超家族运动蛋白的进化树与相应病毒的基因组组织之间的关系。 Anne绘图


该进化树是使用简约分析从参考文献(A)提供的运动蛋白序列构建的。有关该树构造的更多详细信息,请参阅参考文献〔85〕。0,RT,N,A,I,II和III分别代表由病毒编码的聚合酶类型:无,RNA依赖性DNA聚合酶,负链病毒,ambisens链病毒和正链病毒,以及超群I,II,III RNA依赖性RNA聚合酶。细线条的多边形包围了那些已知会形成带有病毒粒子的小管的运动蛋白。带有红色星号的属是其成员物种是多分体病毒的属(美格君提示注意:Begomovirus属由单部分和二分体病毒组成)。转载并改编自参考文献〔85〕。


如果在多组分病毒的宿主内运动机制中没有出现明显的分子或细胞特征,那么它们可能在实际进入并感染单个细胞的病毒颗粒或基因组的数量上有所不同(细胞感染的多样性[MOI])。对于单体病毒,独立作用假说(IAH)规定,细胞和/或宿主的感染可以由单个感染单位引发,并且每个感染单位可以独立起作用。当一种感染成分取决于其他成分的存在时,理论模型可以预测与IAH的偏差,并表明有效进入细胞的病毒颗粒数量(此处简化为MOI)在多组分病毒中必须比在单组分或分段病毒中高得多。预测允许维持基因组完整性的MOI与基因组片段的数量及其相对频率直接相关,并且当多分体病毒具有超过三个或四个片段时,应该达到非常高的值(高达数百)。


MOI值已经在许多感染细菌、昆虫、脊椎动物和植物的单体病毒中进行了实验估计,并且反复发现相对较小,通常低于5。不幸的是,只有一种对多分体病毒MOI的估计,即二分体土传小麦花叶病毒,其中仅分析了RNA-2片段。估计值与单体病毒相似,是第五个,不支持多分体病毒感染具有更多病毒颗粒或基因组片段的细胞的预测。由于数据缺乏,并且考虑到这个问题在多组分病毒生物学中的重要性,需要进行更多的研究,并且应该关注具有大量片段的物种,例如溴病毒科(3个ssRNA片段+1个sgRNA)和纳米病毒科(6-8个ssDNA片段)或贝尼病毒属(4-5个ssRNA片段)的成员。


6、宿主间移动

维持多分体病毒基因组完整性的问题不仅涉及宿主细胞内或远距离传播的步骤,而且还涉及宿主间传播的步骤。

本节将重点关注载体的水平传播,因为这是植物病毒传播的主要和**的记录方式。虽然在某些情况下仍然缺乏数据,但通常认为病毒是从受感染的植物中获得的,并以病毒颗粒的形式接种到健康的植物中。当多组分病毒在宿主群体中传播时,这扩大了扩散的风险,从而失去了部分遗传信息。在动物和植物的单体病毒中已经描述了载体传播可以诱导病毒种群的严重瓶颈。然而,这种瓶颈实际上被量化的情况在植物病毒中很少见,而在动物病毒中尚不可用。马铃薯Y病毒(PVY)的传播是由于每个蚜虫载体只转移了一个或两个基因组,而番茄黄化曲叶病毒(TYLCV)的粉虱传播也获得了类似的数字。

直观上,多分体病毒的数量预计会更高,以便增加共同传播成套颗粒的机会,每套颗粒中每个片段至少包含一个拷贝。令人惊讶的是,当量化蚜虫传播三分体黄瓜花叶病毒(CMV)后引发感染的初始值的有效数量时,Betancourt及其同事发现PVY和TYLCV的数字与上述数字相似。然而,应该注意的是,所使用的方法可以估计遗传瓶颈,但不能估计种群瓶颈,这与此处讨论的问题相关。换句话说,虽然病毒群体所遭受的与传播相关的遗传瓶颈在单组分和多组分病毒中似乎具有可比性,但需要获得和接种的病毒颗粒的实际数量可能不同,仍有待评估和比较。


这些结果提出了一些问题,这些问题在多分体病毒的传播中迄今尚未得到解答,并且代表了未来有吸引力的研究方向。特别是,不同的基因组片段在寄主植物中以非常不同的频率积累,提出了稀有片段传播的问题。同样,由于含有不同基因组片段的病毒颗粒的稳定性可能会有所不同,因此它们很可能在昆虫载体内的传代过程中被差异降解,让人怀疑这些片段的相对频率是否会在载体内发生变化,以及最不稳定的颗粒如何能够像其他颗粒一样有效地传播。

最后,通过高媒介种群密度和重复接种可以缓解与野生媒介传播有关的瓶颈。

不幸的是,正如下一节所讨论的那样,多组分(和其他)病毒的生态学知之甚少,这种可能性还没有充分的文献记载。


7、多分体病毒生态学

据我们所知,目前还没有关于可能与多分体病毒相关的特定生态特征的研究。大量文献报道了病毒遗传多样性的地理变异,特别是多分体病毒。关于CMV,纳米病毒和二分双生病毒的自然种群中重配频率的研究无疑是朝着这个方向迈出的有力一步,但迄今为止尚未揭示任何特定的生态特征。类似于其他病毒类型(单体或分段)的重组基因组延伸,显然多分体病毒的不同片段可以具有不同的进化历史和不同的系统地理。关键信息将来自对限制地理区域内宿主和媒介物种群落中多分体病毒片段传播的具体调查。


8、结束语和未来展望

对上述文献的阅读说明了我们目前对多分体病毒如此成功的原因还很不了解。它们可以是ssRNA,dsRNA或ssDNA这一简单事实可能表明多重包裹已经进化了不止一次,但我们无法确认任何相关的有益之处。由于缺乏数据,所提出的好处推论还不令人信服,并且因为大多数似乎对分段病毒有效,因此无法解释多包被。我们认为,有必要对多组分病毒的生物学特性进行进一步的实验研究,以评估和挑战现有的假设,以便提出可能更相关或全新假设。不应忽视的一种可能性是,由于多分体机制最有可能独立进化数次,其进化可能对不同的选择压力作出了反应:导致多分体机制进化的原因可能在不同的病毒组中有所不同,并且一组中存在的潜在利益在另一组中不存在。

作为结束语,我们概述了一些研究线索,这些线索可以澄清或分配我们认为立即至关重要的多分体病毒的特定属性。


应更详细地研究取决于所含片段的病毒颗粒的结构,物理和生化特性。这些研究的一个重要延伸(详见第4节)是,含有不同片段的颗粒的不同性质可能反映了涉及多分体病毒系统特异性基因表达时间调控的适应性过程。虽然这种可变颗粒特性被证明与RNA折叠结构有关,但它们对于多组分ssDNA病毒也可能很重要,其中各种片段的二级/三级折叠结构似乎具有未知的生物学功能。


同样与基因表达的调控有关,纳米病毒FBNSV群体中基因组式的发现有助于考虑基因拷贝数变异在病毒生物学中的重要作用。突出的问题是基因组式是否也在其他多组分病毒中受到控制,它是否实际上调节基因和表型表达,以及它是否是一种适应性和进化性状。虽然在第3节中讨论了支持多组分病毒中基因拷贝数适应性调节的论点,但仍然缺乏直接的实验证明。


为了保持多分体病毒基因组的完整性,有两种尚未确定的可能性。

首先,颗粒可以以任何概率大量穿透细胞,而与所包含片段的身份无关。

其次,多组分病毒可以根据包裹的片段以某种方式对进入细胞的颗粒进行分类,并促进全套病毒遗传信息的选择性进入。在**种情况下,观察到的不同片段的MOI值应与其在感染单个宿主的病毒群体中的频率相关,频繁片段高,稀有片段低。在第二种情况下,MOI值可能很低,应该与人群中的段频率无关。这一未被充分研究的方面将对多分体病毒的生活方式提供非常丰富的信息。


最终,无可争议的最重要观点是,多分体病毒的所有片段都需要在同一宿主细胞中才能发挥功能。这种教条式的假设构成了多分体生存方式的成本基础。令人惊讶的是,它从未经过实验验证。由于植物生理学的最新进展,通过实验评估这种病毒系统是否可以在分散在不同细胞中的不同片段中起作用是诱人的。许多研究报道了特定蛋白质和RNA在寄主植物内自主地从细胞到细胞或远距离运输的能力。假设多组分病毒的某些RNA和/或蛋白质可以自行运输,就有可能使病毒功能在没有编码它的基因的细胞内有效发挥作用。从这个角度来看,减少所有片段一起感染单个细胞的机会不再是一个尖锐的问题,生物学**化构思多组分病毒的角度将明显不同。


参考文献

A. Melcher U. The '30K' superfamily of viral movement proteins


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