Cell | 新技术让我们看得到RNA病毒翻译和复制的动力学过程

我们耳熟能详的冠状病毒、寨卡病毒、诺如病毒、登革热病毒等等都是正链RNA(+RNA)病毒家族的成员,这一年来,我们已经看到,+RNA病毒感染带来的不仅仅是健康威胁、还有巨大的社会负担。然而,针对大多数+RNA病毒感染的治疗方案,目前看来是太少了。

大多数+RNA病毒侵入宿主细胞后会执行病毒RNA(vRNA)的翻译、复制、包装等多个过程,这些过程的切换对于病毒后续的繁殖至关重要【1,2】,但是翻译复制切换的机制是什么,目前还不清楚。

与此同时,细胞自己也有一套检测和控制病毒感染的机制,然而,道高一尺魔高一丈,许多RNA病毒会关闭宿主的翻译和转录,妨碍宿主抗病毒反应。因此,病毒感染能够成功是否就取决于最初几个小时中病毒翻译复制和宿主抗病毒信号间的动力学竞争呢?然而,目前的方法还无法灵敏地对病毒入侵初期的变化进行观察。 

2020年11月13日,荷兰乌得勒支大学Frank J.M. van Kuppeveld 和Marvin E. Tanenbaum研究团队联合在Cell杂志上发表题为Translation and Replication Dynamics of Single RNA Viruses的研究论文,在这篇论文中,作者开发了一种新的单分子成像分析技术—VIRIM,以此来研究+RNA病毒的翻译、复制,以及病毒与宿主的相互作用,利用这项技术,作者既观察到了病毒在翻译和复制过程中的动力学特征,又找到了其中的瓶颈,为未来抗病毒的研究提示了可能的切入点。

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作者开发的这种新的单分子成像技术VIRIM全称为病毒感染实时成像(virus infection real-time imaging)技术,用以研究单个RNA病毒在活细胞中的翻译和复制,这项技术的基础是作者在2014年开发出的SunTag荧光报告系统【3】,作者将N端5个SunTag重复序列插入肠病毒CVB3,SunTag-CVB3完全能够再现野生型CVB3感染的动态过程,实现荧光实时成像(图1)

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图1:单分子成像技术VIRIM原理图 

这个成像系统帮助作者观察到了CVB3感染的翻译和复制中相互协调的动力学过程(图2)。在大多数RNA病毒的传播过程中,先天抗病毒应答中最显著的是IFN信号转导【4】。作者检测了IFN信号随病毒感染时间的变化,发现病毒与宿主之间的竞争发生在感染早期,CVB3诱导的宿主细胞变化在感染后迅速发生,IFN信号阻滞、宿主细胞翻译停止以及核转运障碍在感染后几分钟内出现,1~3小时内完成病毒的初次感染。作者将这种感染过程在宫颈癌细胞、肺癌细胞、肠道类器官中都做了验证,证明了病毒感染的动力学过程具有普适性。但是在同一时间,单个细胞之间是具有异质性的。

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图2:早期CVB3感染的5个阶段(phase1是vRNA的翻译;phase2是vRNA的复制;phase3是新和成的+RNA的翻译;phase4中的+RNA在准备新一轮的复制,同时一部分vRNA还在复制;phase5又是一波新+RNA的合成和翻译。)

利用VIRIM技术,作者还确定了病毒成功感染的重要瓶颈。病毒RNA一旦成功复制,病毒就会大量复制;而如果转入的病毒RNA复制失败,病毒感染就会消失。因此,vRNA的复制是早期抗病毒信号的重要事件,同时,也是宿主发挥其抗病毒活性的重要靶点,这段时间的病毒信号转导过程也是未来需要深入研究的问题。

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图3:作者的思路图

病毒感染的单分子成像技术VIRIM是研究病毒复制和病毒与宿主相互作用的有力工具,它能够让我们观察到病毒生命周期不同阶段的不同状态(图3),作者认为这项技术可以广泛应用于多种RNA病毒的研究。同时,作者推测自己的新技术未来还可以用于观察解析抗病毒药物的作用机制,帮助筛选在病毒早期感染时具有特定作用的新药物。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.019

制版人:十一

参考文献

1. Baggen, J., Thibaut, H.J., Strating, J.R.P.M., and van Kuppeveld, F.J.M. (2018). The life cycle of non-polio enteroviruses and how to target it. Nat. Rev. Microbiol. 16, 368–381.

2. de Wit, E., van Doremalen, N., Falzarano, D., and Munster, V.J. (2016). SARS and MERS: recent insights into emerging coronaviruses. Nat. Rev. Microbiol. 14, 523–534.

3. Tanenbaum, M.E., Gilbert, L.A., Qi, L.S., Weissman, J.S., and Vale, R.D. (2014). A protein-tagging system for signal amplification in gene expression and fluorescence imaging. Cell 159, 635–646.

4. Belkowski, L.S., and Sen, G.C. (1987). Inhibition of vesicular stomatitis viral mRNA synthesis by interferons. J. Virol. 61, 653–660.

来源:BioArt

作者:Victoria

责编:兮