一系列中子散射测量以前所未有的细节揭示了病毒 DNA 的结构,为了解在接近人体温度下使 DNA 变得更像流体的变化提供了新的线索。瑞典隆德大学的研究人员进行了测量,他们表示,这些结构变化有助于解释病毒如何快速地将 DNA 释放到宿主细胞中,从而促进感染。
与细菌或真菌不同,病毒没有宿主就无法生存。然而,一旦它们感染细胞,它们就会产生新的病毒颗粒,然后感染其他细胞。为了在此期间保护病毒的遗传信息,病毒 DNA 通常被封装在称为衣壳的蛋白质外壳内。
在最新的作品中,团队负责人 亚历克斯·埃维莱维奇 和同事专注于噬菌体病毒——即那些攻击细菌的病毒。使用来自同步加速器研究设施的中子 美国国家标准技术研究院 (NIST) 在马里兰州盖瑟斯堡,他们对病毒 DNA 的结构及其衣壳内的密度与温度的关系进行了成像。
“我们采用的技术称为小角中子散射 (SANS),该技术通常不用于微生物学研究,”Evilevitch 说。 “通过将噬菌体细菌病毒暴露在中子束下,我们可以以原子分辨率揭示病毒包装的 DNA 的结构细节。”
传递动力学的核心作用
研究人员开展这项工作是为了延续他们之前的发现,即衣壳内的 DNA 材料的结构在暴露于 37°C 的温度时会发生突然的结构变化。这是人体的正常温度,它意味着结构在病毒将其遗传物质传递到细胞中(感染的第一步)的方式中发挥着核心作用。值得注意的是,病毒内的 DNA 包装密度非常高,比衣壳直径长数百倍。即便如此,在感染过程中,DNA 仍会通过一个孔迅速从衣壳中喷射出来。
埃维尔维奇说,这是如何发生的还是一个谜。 “由于衣壳中 DNA 的高堆积密度以及相邻带负电荷的 DNA 表面之间仅有几埃的间隔,因此存在强大的静电摩擦力,阻碍 DNA 喷射,”他解释道。 “因此,我们决定研究温度如何影响病毒基因组的结构,因为众所周知,在最佳体温(37°C)下,病毒可以快速喷射其液体状 DNA。”
研究人员决定使用非典型方法进行中子成像,因为 SANS 允许对比度匹配,从而使中子束有效地看不见蛋白质衣壳。这使他们能够将注意力集中在衣壳的内容物上,从而揭示 DNA 形状和密度的细节。
两个阶段
“我们首次证明,病毒衣壳内的 DNA 以两个相共存——衣壳外围的六边形有序高密度相和衣壳核心的低密度无序流体状相。衣壳,”Evilevitch 说道 物理世界。 “温度升高会引发 DNA 的转变,外围的部分有序 DNA 转移到中心的有序度较低的相,从而使 DNA 开始从病毒喷射到细胞中。”
Evilevitch 表示,这些发现表明温度在感染过程中起着重要作用,中子散射是研究病毒衣壳内病毒基因组结构的有用工具。
中子揭示自组装的秘密
隆德队 目前正在优化其利用中子光的方法来研究 1 型人类疱疹病毒中包装的 DNA 的密度变化。 “这些知识对于理解 DNA 喷射机制非常重要,进而可能控制感染过程,”Evilevitch 说。 “这可以是潜伏的(休眠的)或裂解的(活跃的,病毒快速复制的地方)。”
到目前为止,Evilevitch 及其同事仅在实验室中观察到细胞培养物中 DNA 密度的变化。他们说,未来需要进行考虑免疫反应等因素及其如何影响感染过程的分析。
最终,研究人员相信这项研究的结果,详细信息参见 PNAS,可以帮助科学家更好地理解DNA如何离开病毒并进入宿主细胞——这对于开发实际上打开和关闭病毒的技术可能很重要。反过来,这可能有助于开发新的抗病毒药物。
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