研究人員正在重新思考將病毒描述為完全對稱的模型

雖然大多數人不會認為病毒是大自然的美麗表現，但是繪制分子形狀和結構的科學家更容易被打動。像20個白色六邊形和12個黑色五邊形的足球一樣，一些病毒由一定數量的重復蛋白質單元組成，這些蛋白質單元在其基因組周圍形成有序的，對稱的和幾乎球形的納米殼。在過去的40年里，結構生物學領域的科學家已經開發(fā)出數百種這類病毒的漂亮的三維計算機模型。通常，它們的成分細節(jié)映射到單個原子。

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。但根據印第安納州普渡大學的一組研究人員發(fā)表的一項新研究，發(fā)表在科學院院刊上，這些模型的某些方面可能并不完全切合實際。

他們的數據表明，某些類型的病毒在對稱性上有所突破，標準模型沒有顯示出來。這些不對稱可能會揭示有關這些病毒生命周期的新細節(jié)。

在1956年 - 他們宣布DNA結構僅僅幾年后 - 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蛋白質單元組成的對稱結構。正如雙螺旋的發(fā)現一樣，他們的思想是由羅莎琳德富蘭克林先前關于病毒結構的研究所告知的，他們的想法是正確的。

雖然并非所有病毒都具有幾何形狀，但我們現在知道它們中的很多都有。許多不相關的群體共有的一個共同點是二十面體 - 一個有20個邊和12個頂點的多邊形。該形式由其外殼中的一定數量的蛋白質單元限定。

同年，克里克和沃森發(fā)表了關于病毒結構的想法，一位名叫邁克爾·羅斯曼的年輕學生正在蘇格蘭格拉斯哥大學完成化學結晶學博士學位 - 制作給定樣品的科學結晶，使其結構可以用一束X射線和這些X射線如何衍射的數學進行探測。

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

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

自1992年加入Purdue以來，Kuhn與Rossman合作繪制了幾十種病毒結構。幾年前，羅斯曼和庫恩是第一個報告寨卡病毒結構的人 - 就像它正在涌入公眾意識一樣。他們使用的是一種在結構生物學領域越來越有用的新技術，而不是X射線晶體學。眾所周知，冷凍電子顯微鏡可以從電子束產生冷凍狀態(tài)的單個病毒顆粒的高分辨率圖像。

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

“病毒的一側只有一個模糊的密度，”研究生Matthew Therkelsen回憶說。“這對我來說意味著病毒結構中有一個明顯的特征，而這種特征并不是通過對稱來預測的。”

西尼羅河病毒的典型模型將在其二十面體殼中具有180個蛋白質單元的整齊對稱排列。但是，Therkelsen在他的數據中看到的模糊補丁讓他質疑這個模型。

“這是我第一次認為病毒可能是不對稱的，”他說。

與普渡大學的其他團隊合作，Therkelsen開始將他的數據插入到病毒的計算機模型中，而不依賴于形狀完全對稱的假設。這些數據與這些模型一致，并顯示，實際上，西尼羅河病毒的平均數量可能只有180個蛋白質單位，可以使它完全對稱。

庫恩認為，這種不完美可能是病毒形成的最后一步的假象，當一種新的病毒顆粒從被上一代感染的細胞膜中分離出來時。

“這個萌芽的粒子的頸部在掐斷時變得非常狹窄，殼體周圍的糖蛋白開始相互撞擊，”庫恩解釋說。“我們認為它們可能無法獲得正確數量的蛋白質來制造二十面體，結果就是一側有一個扭曲的粒子。”

換句話說，對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，如脊髓灰質炎和普通感冒病毒，也可能具有這種不對稱性。“[這是一個我們也在追求的有趣問題，”他說。

這種情況很可能發(fā)生。芬蘭赫爾辛基大學的結構生物學家Sarah Butcher沒有參與這項研究，他指出其他病毒結構不對稱的證據已經在她和其他研究人員之前發(fā)表的著作中看到過。

“我們寫了幾篇關于如何處理這種不對稱的論文，以及它的一些原因，”她說。

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

作為二十面體病毒不是完全對稱構建的證據，研究人員對這些異?？梢愿嬖V我們生命周期的內容變得更加好奇。例如，除了作為病毒顆粒組裝的最終點的標記之外，它們還可以在感染的初始階段定位病毒，當它在進入宿主細胞時釋放其基因組。

隨著這些問題的進一步深入研究，像羅斯曼，庫恩和布徹這樣的科學家可能有理由重新考慮他們對對稱性的假設。

“直到現在，”羅斯曼說，“任何曾經檢查過的病毒都是在假設它們具有二十面體對稱性的情況下進行的。