解密病毒

鄒歡

[摘 要]文章根據(jù)病毒的發(fā)現(xiàn)和研究史，總結(jié)歸納出無(wú)囊膜病毒和囊膜病毒的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，最后重點(diǎn)解讀新冠病毒的研究過(guò)程和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]無(wú)囊膜病毒;囊膜病毒;新冠病毒

[中圖分類號(hào)]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）26-0095-02

人類的發(fā)展史，是一部和各種瘟疫斗爭(zhēng)的生存史。從引發(fā)鼠疫、霍亂、結(jié)核病、傷寒等瘟疫的細(xì)菌，到引發(fā)天花、流感、麻疹、艾滋病等大流行病的病毒，人類在一步步地研究瘟疫的真相，揪出瘟疫背后的真兇。回顧過(guò)去短短20年，全球便經(jīng)歷了SARS、MERS、非洲豬瘟、埃博拉、寨卡病毒、新冠病毒等多種新型囊膜病毒所引發(fā)的疫情。這些病毒的出現(xiàn)，不僅給全球人類健康帶來(lái)巨大危險(xiǎn)，給全球經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，還在一定程度上改變?nèi)藗兊纳罘绞?。這些經(jīng)歷，讓我們對(duì)大自然始終保持敬畏，也對(duì)囊膜病毒本身產(chǎn)生了極大的好奇。

無(wú)囊膜病毒與囊膜病毒的區(qū)別是什么？囊膜病毒的組裝有哪些類型？囊膜病毒的結(jié)構(gòu)是什么樣的？2020年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位與丙肝病毒的發(fā)現(xiàn)有關(guān)的科學(xué)家。這次疫情，也將全球目光再一次聚焦到冠狀病毒所屬的囊膜病毒上，作為一名高中生物教師，有必要把握生物科技前沿，為新授課乃至高三復(fù)習(xí)提供教學(xué)素材和命題思路。

一、無(wú)囊膜病毒

無(wú)囊膜病毒（Nonenveloped virus）沒(méi)有囊膜，直接由蛋白質(zhì)外殼包裹核酸。這類病毒的范疇比較廣，從動(dòng)物病毒、噬菌體到水生病毒等都有。對(duì)人類健康及經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)威脅較大的有同屬微小病毒科的脊髓灰質(zhì)炎病毒、腸道病毒及口蹄疫病毒等。

在結(jié)構(gòu)上，大多數(shù)無(wú)囊膜病毒就像一個(gè)模子刻出來(lái)的一樣。呈正二十面體組裝的病毒是它們的代表[1]。這些直徑為100 nm左右的超大分子復(fù)合物（如圖1），由于高度的對(duì)稱性、結(jié)構(gòu)的全同性及尺寸恰好在電子顯微鏡的透射范圍內(nèi)等，是冷凍電鏡（cryo-Electron Tomography，cryo-ET）方法開(kāi)發(fā)歷程中的三大標(biāo)準(zhǔn)生物樣品之一。

目前使用冷凍電鏡解析常規(guī)尺寸的正二十面體病毒的方法非常成熟：由于其表面拷貝數(shù)非常高的衣殼蛋白以嚴(yán)格的對(duì)稱性分布，無(wú)須大量數(shù)據(jù)便可通過(guò)三維圖像重構(gòu)獲得近原子分辨率。這個(gè)經(jīng)典應(yīng)用也為探索更復(fù)雜的病原體（包括大量非球形或非對(duì)稱性的病毒體）提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、囊膜病毒

囊膜病毒多是動(dòng)物病毒，它們可以說(shuō)是現(xiàn)代人類面臨的最具威脅性的病原體。囊膜病毒的大家庭里，既有“歷史悠久”的，如天花、流感、乙肝、丙肝、麻疹、艾滋病、登革病毒、狂犬病毒等，也有近些年的“新起之秀”，如新冠病毒、拉沙熱病毒、埃博拉病毒、寨卡病毒、裂谷熱病毒等。這些病毒里，除了寨卡病毒和登革病毒具有較為嚴(yán)格的正二十面體對(duì)稱，其余的結(jié)構(gòu)都千篇一律。

這種隨機(jī)性結(jié)構(gòu)與囊膜病毒的組裝和生命周期特點(diǎn)息息相關(guān)。它們由脂雙層包裹，借助外鑲的刺突狀糖蛋白與受體結(jié)合并進(jìn)入細(xì)胞。接著，利用Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ型膜融合蛋白介導(dǎo)膜融合、解胞并釋放核酸，綁架細(xì)胞的生命活動(dòng)實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制，最后組裝成新的病毒并從細(xì)胞出芽。可見(jiàn)，囊膜病毒通過(guò)蛋白介導(dǎo)膜融合，通過(guò)膜融合去組裝并釋放核酸，通過(guò)出芽“擄走” 細(xì)胞膜以成為新病毒的囊膜。

除了上述的刺突蛋白及脂雙層，囊膜病毒一般還有基質(zhì)蛋白（負(fù)責(zé)病毒組裝）、核蛋白（負(fù)責(zé)收納組織核酸），負(fù)鏈RNA病毒的結(jié)構(gòu)蛋白里還有聚合酶。此外，不少囊膜病毒還有通道蛋白，例如新冠病毒、流感病毒等。

由于脂雙層參與病毒組裝，這類病毒幾乎千毒千面，沒(méi)有兩個(gè)完全一樣的病毒?？辞迥夷げ《镜娜《痉肿咏Y(jié)構(gòu)，其蛋白的分布及構(gòu)象轉(zhuǎn)變，甚至是宿主體內(nèi)的病毒半組裝結(jié)構(gòu)，對(duì)我們理解囊膜病毒如何攻下細(xì)胞這座城堡至關(guān)重要。由于囊膜病毒的結(jié)構(gòu)多樣，很難通過(guò)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法來(lái)解析，因此全病毒結(jié)構(gòu)及其在生命周期中重要狀態(tài)的高分辨結(jié)構(gòu)，一直是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的挑戰(zhàn)。使用冷凍電鏡斷層成像方法拍攝樣品的三維圖像，并結(jié)合子斷層圖像平均法（STA）對(duì)病毒上的蛋白子斷層圖像進(jìn)行對(duì)齊平均運(yùn)算，再通過(guò)投射回三維空間的手段，為解析囊膜病毒全病毒結(jié)構(gòu)及細(xì)胞內(nèi)的病毒結(jié)構(gòu)帶來(lái)可能。

具有二十面體外殼和脂雙層膜的一類病毒結(jié)構(gòu)，是最早被解析出來(lái)的。引起發(fā)病率和死亡率很高的登革出血熱和登革休克綜合征的登革熱病毒（DENV，黃病毒科），于2002年被美國(guó)普渡大學(xué) Richard J Kuhn 等人確定了24 ?分辨率的結(jié)構(gòu)[2]。另一類病毒的外囊膜包被著一層或多層二十面體對(duì)稱蛋白或核衣殼：包括乙型肝炎病毒HBV[3]、皰疹病毒科（如HSV-1），以及2019年饒子和團(tuán)隊(duì)解析的非洲豬瘟病毒ASFV[4]（如圖 2）。

三、新冠病毒

今年肆虐全球的新冠病毒，最先由清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用 cryo-ET，將浙江大學(xué)李蘭娟團(tuán)隊(duì)提供的滅活病毒解析至最高7.8?分辨率，并重構(gòu)出一顆有代表性的新冠病毒全病毒分子結(jié)構(gòu) [5]。研究結(jié)果不僅展示了病毒表面刺突蛋白（spike）的結(jié)構(gòu)、分布及其糖基化組分，還挺進(jìn) “深核”，解析出病毒腔內(nèi)的核糖核蛋白（RNP）的結(jié)構(gòu)與排列規(guī)律，為其超長(zhǎng)基因組在病毒體內(nèi)的分布提供了高分辨率信息，繪制了獨(dú)一無(wú)二的新冠病毒全身 “通緝照”（如圖3）。

冠狀病毒本身非常有特點(diǎn)，擁有多個(gè)囊膜病毒之最：已知最大的糖蛋白（三聚體分子量超過(guò)600 kD），RNA病毒中最長(zhǎng)的RNA（30 kb）。新冠病毒糖蛋白拷貝數(shù)稀少（約30個(gè)）;在囊膜表面擁有極大的自由，可繞莖部旋轉(zhuǎn)甚至可在囊膜上游走;非常脆弱，部分亞基甚至整根糖蛋白會(huì)發(fā)生脫落。通過(guò)對(duì)來(lái)自天然S蛋白的N-聚糖組成進(jìn)行質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)雖然天然聚糖較為復(fù)雜，但整體而言與重組糖蛋白聚糖的加工狀態(tài)高度相似。

冠狀病毒RNA直線長(zhǎng)度可達(dá)病毒自身直徑的100倍。把這根核酸“長(zhǎng)繩”完整有序地纏繞進(jìn)僅有約80 nm直徑的腔體內(nèi)的重任主要落在核蛋白上。它需要像線軸一樣收納RNA，將其有序纏繞，并組裝成稱為核糖核蛋白復(fù)合物（RNP）的高級(jí)結(jié)構(gòu)。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)病毒內(nèi)近20 000顆RNP進(jìn)行了挑選和分析，得到了病毒腔內(nèi)13?分辨率的RNP結(jié)構(gòu)密度圖，并開(kāi)創(chuàng)性地展示了RNP在病毒腔內(nèi)的組裝機(jī)制。成像顯示：該復(fù)合物像串珠一樣將RNA組織在一起，并在病毒體內(nèi)呈現(xiàn)六聚 “鳥(niǎo)巢” 形和正四面體 “金字塔” 形兩種局部排列，有序地收納了RNA這根“長(zhǎng)繩”，還增加了病毒在復(fù)雜環(huán)境中經(jīng)受物理挑戰(zhàn)的能力。這可能是世界范圍內(nèi)首次 “看清” 正義單鏈RNA病毒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如圖3）。

囊膜病毒在人類發(fā)展史上造成過(guò)多次大流行災(zāi)難，是對(duì)現(xiàn)代人類健康最具威脅的病原體。研究囊膜病毒的天然結(jié)構(gòu)，對(duì)于我們真正了解病毒，發(fā)現(xiàn)它們的弱點(diǎn)至關(guān)重要。而因?yàn)橹p層參與組裝，囊膜病毒柔性極大，形態(tài)不定，完整病毒的結(jié)構(gòu)解析為結(jié)構(gòu)生物學(xué)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。冷凍電鏡斷層成像是揭示囊膜病毒全貌圖的最佳方案，雖然目前分辨率還停留在1～2納米，但該方法的開(kāi)發(fā)突飛猛進(jìn)，常規(guī)獲得近原子分辨率僅是時(shí)間問(wèn)題。對(duì)囊膜病毒的研究，正從體外結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方向，大步邁向從細(xì)胞中直接觀測(cè)病毒生命活動(dòng)的原位結(jié)構(gòu)方向。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? ZHANG X，JIN L，F(xiàn)ANG Q，et al. A cryo-EM structure of a nonenveloped virus reveals a priming mechanism for cell entry[J]. Cell，2010（2）：472-482.

[2] KUHN R J，ZHANG W，ROSSMANN M G，et al. Structure of dengue virus：implications for flavivirus organization，maturation，and fusion[J].Cell，2002（5）：717-725.

[3] DRYDEN K A，WIELAND S F，WHITTENBAUER C，et al. Native hepatitis B virions and capsids visualized by electron cryomicroscopy[J].Molecular cell，2006（6）：843-850.

[4] WANG N，ZHAO D M，WANG J L，et al.Architecture of African swine fever virus and implications for viral assembly[J]. Science，2019（6465）：640-644.

[5] Yao H P，SONG Y T，CHEN Y，et al.Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus[J].Cell，2020（3）：730-738.

（責(zé)任編輯 黃春香）