Nat Commun︱周正洪揭病毒诱导的生物凝聚体的分子社群架构及其动态变化,并描绘呼肠孤病毒在细胞内的复制组装途径

文摘   2024-12-13 22:42   北京  


微信公号:岚翰生命科学


撰文刘晓玉,夏显,周正洪 责编︱王思珍


岚翰生命科学》讯息:细胞中经典细胞器如线粒体、叶绿体和核糖体等是由生物膜包被形成的隔室,在隔离不同的生化反应和细胞分区中起着重要作用[1]。由相分离形成的无膜包被的生物凝聚体,近年来被报道参与DNA复制、RNA转录、蛋白质合成等关键生物学过程,并在细胞信号传导、能量储存及神经退行性疾病(如帕金森和阿尔兹海默症)的发展中发挥重要作用[2,3]。此外,越来越多的研究发现,相分离样凝聚体在病毒生命周期中也扮演着不可或缺的角色[4]。病毒在相分离样的凝聚体(又称为病毒工厂)中进行基因组复制、转录和子代病毒颗粒的组装。这些凝聚体不仅可以提高病毒复制效率,还能屏蔽病毒中间体以躲避宿主免疫系统的攻击。荧光显微镜观察显示,这些病毒凝聚体呈现液滴状,具备液体特性,如生长和融合的能力[5]但人们对其内部的三维结构及其促进病毒复制的机制仍知之甚少。


2024126日,加州大学洛杉矶分校周正洪教授(中国科学技术大学812校友)团队在Nature Communications发表题为Molecular sociology of virus-induced cellular condensates supporting reovirus assembly and replication的研究成果。该研究结合冷冻电子断层成像(cryoET)和单颗粒冷冻电镜(cryoEM)技术,探索了哺乳动物呼肠孤病毒(mammalian reovirus)诱导的胞内相分离样凝聚体的结构及其在时间和空间上的变化,描绘了病毒在体内的复制组装途径,为揭示病毒与宿主细胞相互作用提供了新的思路。


该研究追踪了细胞感染呼肠孤病毒后的6小时及48小时节点,首次详细展示了病毒工厂这一生物凝聚体的内部三维结构及动态变化(图1。研究显示,这些无膜但包含膜结构的凝聚体不仅是病毒复制的关键场所,还会通过招募宿主核糖体、微管和磷脂膜等结构,为病毒复制和组装提供必需的支持。随着感染的进行,早期分散的小型凝聚体逐步融合形成大型凝聚体,占据大部分胞质空间,显示出高度有序的时空协调机制。

1. MRV-induced cellular condensates in host cells visualized by cryoET.


研究利用cryoET捕获了病毒生命周期中多个关键中间体(图2,进一步应用cryoEM解析了5个高分辨率的病毒组装中间体结构,详细勾勒了病毒在体内复制组装的途径及不同状态之间的构象变化:从病毒组装的早期状态star core形成core最终形成virion。在病毒从单层star core逐步组装成双层完整的virion过程中,病毒的基因组被包装到病毒衣壳内,同时伴随着衣壳蛋白的构象变化。这一病毒的组装原理与该研究组4月份在Cell杂志上发表的文章结论相辅相成[6]证明了呼肠孤病毒科的病毒利用类似的机理进行复制和组装。

2. MRV assembly intermediates and products captured by cellular cryoET.

文章结论与讨论,启发与展望
近年来,越来越多的研究揭示了相分离形成的生物凝聚在病毒生命周期中的关键作用,该领域正在成为病毒学和细胞生物学的一个新兴研究热点。本研究结合冷冻电子断层成像 (cryoET) 和单颗粒冷冻电镜 (cryoEM) 技术详细解析了细胞内相分离驱动的病毒工厂的分子社群架构及其动态变化,全面描绘了病毒在复制和组装过程中的分子路径。这些成果有助于深入理解病毒与宿主的复杂相互作用机制,同时也为开发针对病毒复制的干预策略奠定了基础。此外,病毒因其独特的生物学特点,长期以来在推动生物学基本过程的研究中发挥了重要作用。本研究表明,病毒工厂作为相分离现象的模型系统,具有极高的研究价值,为揭示相分离的生物学功能和机理提供了新思路,

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-54968-7

加州大学洛杉矶分校周正洪教授为本文通讯作者,刘晓玉博士和夏显博士为共同第一作者。加州大学洛杉矶分校Tamir Gonen教授和Michael W. Martynowycz参与了本研究,为共同作者。本研究受到NIHHHMI等基金项目的支持。


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参考文献
1 Ray, S., Kassan, A., Busija, A. R., Rangamani, P. & Patel, H. H. The plasma membrane as a capacitor for energy and metabolism. Am J Physiol Cell Physiol 310, C181-192 (2016). https://doi.org/10.1152/ajpcell.00087.2015

2 Shin, Y. & Brangwynne, C. P. Liquid phase condensation in cell physiology and disease. Science 357 (2017). https://doi.org/10.1126/science.aaf4382

3 Boeynaems, S. et al. Protein Phase Separation: A New Phase in Cell Biology. Trends Cell Biol 28, 420-435 (2018). https://doi.org/10.1016/j.tcb.2018.02.004

4 Wu, C., Holehouse, A. S., Leung, D. W., Amarasinghe, G. K. & Dutch, R. E. Liquid Phase Partitioning in Virus Replication: Observations and Opportunities. Annu Rev Virol 9, 285-306 (2022). https://doi.org/10.1146/annurev-virology-093020-013659

5 Barkley, R. J. R., Crowley, J. C., Brodrick, A. J., Zipfel, W. R. & Parker, J. S. L. Fluorescent protein tags affect the condensation properties of a phase-separating viral protein. Mol Biol Cell 35, ar100 (2024). https://doi.org/10.1091/mbc.E24-01-0013

6 Xia, X. et al. RNA genome packaging and capsid assembly of bluetongue virus visualized in host cells. Cell 187, 2236-2249 e2217 (2024). https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.007




 
 
编辑︱王思珍
本文完








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