研究人員正在重新思考將病毒描述為完全對(duì)稱的模型

雖然大多數(shù)人不會(huì)認(rèn)為病毒是大自然的美麗表現(xiàn)，但是繪制分子形狀和結(jié)構(gòu)的科學(xué)家更容易被打動(dòng)。像20個(gè)白色六邊形和12個(gè)黑色五邊形的足球一樣，一些病毒由一定數(shù)量的重復(fù)蛋白質(zhì)單元組成，這些蛋白質(zhì)單元在其基因組周圍形成有序的，對(duì)稱的和幾乎球形的納米殼。在過去的40年里，結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出數(shù)百種這類病毒的漂亮的三維計(jì)算機(jī)模型。通常，它們的成分細(xì)節(jié)映射到單個(gè)原子。

除了在原子尺度上可視化病毒顆粒的令人驚嘆的順序和對(duì)稱性之外，這些模型還幫助研究人員了解病毒如何在宿主中組裝，感染和繁殖。但根據(jù)印第安納州普渡大學(xué)的一組研究人員發(fā)表的一項(xiàng)新研究，發(fā)表在科學(xué)院院刊上，這些模型的某些方面可能并不完全切合實(shí)際。

他們的數(shù)據(jù)表明，某些類型的病毒在對(duì)稱性上有所突破，標(biāo)準(zhǔn)模型沒有顯示出來。這些不對(duì)稱可能會(huì)揭示有關(guān)這些病毒生命周期的新細(xì)節(jié)。

在1956年 - 他們宣布DNA結(jié)構(gòu)僅僅幾年后 - 弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森描述了他們的理論，即病毒可以具有由重復(fù)蛋白質(zhì)單元組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。正如雙螺旋的發(fā)現(xiàn)一樣，他們的思想是由羅莎琳德富蘭克林先前關(guān)于病毒結(jié)構(gòu)的研究所告知的，他們的想法是正確的。

雖然并非所有病毒都具有幾何形狀，但我們現(xiàn)在知道它們中的很多都有。許多不相關(guān)的群體共有的一個(gè)共同點(diǎn)是二十面體 - 一個(gè)有20個(gè)邊和12個(gè)頂點(diǎn)的多邊形。該形式由其外殼中的一定數(shù)量的蛋白質(zhì)單元限定。

同年，克里克和沃森發(fā)表了關(guān)于病毒結(jié)構(gòu)的想法，一位名叫邁克爾·羅斯曼的年輕學(xué)生正在蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)完成化學(xué)結(jié)晶學(xué)博士學(xué)位 - 制作給定樣品的科學(xué)結(jié)晶，使其結(jié)構(gòu)可以用一束X射線和這些X射線如何衍射的數(shù)學(xué)進(jìn)行探測(cè)。

這種方法也稱為“X射線晶體學(xué)”，可用于各種分子，包括DNA，蛋白質(zhì)甚至是具有確定形狀的整個(gè)病毒。最后一個(gè)案例最終抓住了羅斯曼的興趣。

這位科學(xué)家自1964年以來一直在印第安納州的普渡大學(xué)(Purdue University)工作，通過X射線晶體學(xué)和相關(guān)技術(shù)建立可能是世界領(lǐng)先的病毒結(jié)構(gòu)研究計(jì)劃。在88歲時(shí)，他散發(fā)出一種顯著的敏銳度，在他的學(xué)術(shù)同行中仍然顯著。其中最重要的是病毒學(xué)家理查德庫恩。

自1992年加入Purdue以來，Kuhn與Rossman合作繪制了幾十種病毒結(jié)構(gòu)。幾年前，羅斯曼和庫恩是第一個(gè)報(bào)告寨卡病毒結(jié)構(gòu)的人 - 就像它正在涌入公眾意識(shí)一樣。他們使用的是一種在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域越來越有用的新技術(shù)，而不是X射線晶體學(xué)。眾所周知，冷凍電子顯微鏡可以從電子束產(chǎn)生冷凍狀態(tài)的單個(gè)病毒顆粒的高分辨率圖像。

最近，當(dāng)傾倒一些與抗體結(jié)合的西尼羅河病毒株的冷凍電子顯微鏡圖像時(shí)，庫恩的一名學(xué)生注意到了一些不尋常的東西。

“病毒的一側(cè)只有一個(gè)模糊的密度，”研究生Matthew Therkelsen回憶說。“這對(duì)我來說意味著病毒結(jié)構(gòu)中有一個(gè)明顯的特征，而這種特征并不是通過對(duì)稱來預(yù)測(cè)的。”

西尼羅河病毒的典型模型將在其二十面體殼中具有180個(gè)蛋白質(zhì)單元的整齊對(duì)稱排列。但是，Therkelsen在他的數(shù)據(jù)中看到的模糊補(bǔ)丁讓他質(zhì)疑這個(gè)模型。

“這是我第一次認(rèn)為病毒可能是不對(duì)稱的，”他說。

與普渡大學(xué)的其他團(tuán)隊(duì)合作，Therkelsen開始將他的數(shù)據(jù)插入到病毒的計(jì)算機(jī)模型中，而不依賴于形狀完全對(duì)稱的假設(shè)。這些數(shù)據(jù)與這些模型一致，并顯示，實(shí)際上，西尼羅河病毒的平均數(shù)量可能只有180個(gè)蛋白質(zhì)單位，可以使它完全對(duì)稱。

庫恩認(rèn)為，這種不完美可能是病毒形成的最后一步的假象，當(dāng)一種新的病毒顆粒從被上一代感染的細(xì)胞膜中分離出來時(shí)。

“這個(gè)萌芽的粒子的頸部在掐斷時(shí)變得非常狹窄，殼體周圍的糖蛋白開始相互撞擊，”庫恩解釋說。“我們認(rèn)為它們可能無法獲得正確數(shù)量的蛋白質(zhì)來制造二十面體，結(jié)果就是一側(cè)有一個(gè)扭曲的粒子。”

換句話說，對(duì)稱性的突破很像肚臍。因此，這種功能可能與其他類似于西尼羅河的病毒相同。這包括寨卡病毒，登革熱，黃熱病和基孔肯雅病毒 - 一些人類可以從蚊子叮咬中獲得的最可怕的病原體。

庫恩指出，其他二十面體病毒，如脊髓灰質(zhì)炎和普通感冒病毒，也可能具有這種不對(duì)稱性。“[這是一個(gè)我們也在追求的有趣問題，”他說。

這種情況很可能發(fā)生。芬蘭赫爾辛基大學(xué)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Sarah Butcher沒有參與這項(xiàng)研究，他指出其他病毒結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的證據(jù)已經(jīng)在她和其他研究人員之前發(fā)表的著作中看到過。

“我們寫了幾篇關(guān)于如何處理這種不對(duì)稱的論文，以及它的一些原因，”她說。

與Butcher這樣的研究人員一起，普渡大學(xué)的研究小組還發(fā)現(xiàn)了在病毒解剖學(xué)中更深層次的不對(duì)稱性，這些病毒在發(fā)育過程中會(huì)發(fā)生變化，并可能與蛋白質(zhì)殼中的不對(duì)稱性有關(guān)。

作為二十面體病毒不是完全對(duì)稱構(gòu)建的證據(jù)，研究人員對(duì)這些異?？梢愿嬖V我們生命周期的內(nèi)容變得更加好奇。例如，除了作為病毒顆粒組裝的最終點(diǎn)的標(biāo)記之外，它們還可以在感染的初始階段定位病毒，當(dāng)它在進(jìn)入宿主細(xì)胞時(shí)釋放其基因組。

隨著這些問題的進(jìn)一步深入研究，像羅斯曼，庫恩和布徹這樣的科學(xué)家可能有理由重新考慮他們對(duì)對(duì)稱性的假設(shè)。

“直到現(xiàn)在，”羅斯曼說，“任何曾經(jīng)檢查過的病毒都是在假設(shè)它們具有二十面體對(duì)稱性的情況下進(jìn)行的。