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冷冻电子断层扫描的应用:成像新冠病毒复制细胞器

2020年,全人类共同经历了一场由新冠病毒(SARS-CoV-2)引发的肺炎危机。在世界各地,许多研究人员都在寻找解决高致病性β冠状病毒(COVID19)的方法。本文将通过讨论两篇描述新冠病毒复制环境的有趣的研究论文,对冷冻电子断层扫描(cryo-ET)和亚组图平均法如何用于研究新冠病毒的结构和复制机制的特点进行一些说明。

这两篇论文都使用冷冻电子断层扫描和子图平均法对在冠状病毒基因组复制过程中起关键作用的重要分子和结构进行了成像。

研究诱导的胞浆双膜小体分子孔复合体

第一个研究是由Wolff等人进行的,他们将小鼠肝炎冠状病毒作为新冠病毒的模型,以更好地理解冠状病毒的复制机制[1]。他们的论文揭示了病毒诱导的胞浆双膜小体(DMVs)膜上存在孔隙复合物[1]。这些复合物被提出作为一个通道,病毒mRNA和合成的病毒基因组可以通过这个通道在胞浆双膜小体的内部和宿主细胞的胞体之间流动。在胞浆中,mRNA和病毒基因组可以被翻译和组装成后代病毒。

用聚焦离子束铣削制备后,用冷冻电子断层扫描对冷冻片进行成像。断层切片确实显示胞浆双膜小体膜内有孔隙复合体。六倍对称副断层图平均给了更多的洞察力,并在3D表面渲染后,协助解开嵌入胞浆双膜小体膜的孔隙的3D架构。即使孔隙的目的仍有待阐明,但它们可以提供冠状病毒特异性药物靶点,因为它们很可能在复制中发挥关键作用,从而使得这种病毒感染进一步发展。

新冠病毒的成像结构和复制

第二项研究是由Klein等人利用新冠病毒菌株进行的,研究不仅关注了病毒复制室(或胞浆双膜小体)的原位成像,还观察了病毒的萌芽机制和细胞外病毒的结构[2]。

冷冻电子断层扫描成像表明,胞浆双膜小体中确实含有RNA分子。然而,胞浆双膜小体是作为复制位点还是作为一种将即用型RNA从宿主细胞环境中分离出来的方式,目前仍不确定。此外,胞浆双膜小体被证明可以相互作用并连接膜。Klein等人怀疑这是病毒复制周期中病毒体萌芽阶段的一部分过程。

此外,通过用原位冷冻电镜对病毒体组装进行成像,可以在接近原生条件下研究这一过程,并定位单个S三聚体和病毒核糖核蛋白复合物(vRNPs)。研究收集到的数据表明,S三聚体具有明显的运动性和灵活性,与膜的角度可高达41°。研究还发现病毒核糖核蛋白复合物与病毒膜相关,可能起到有效包装新冠病毒相对较大的基因组的作用。

冷冻电子断层扫描在病毒学中的重要性

正如本篇博文和我们之前的博文中所描述的那样,冷冻电子断层扫描是一种近乎完美的工具,可以在接近原生状态下对分子复合物的结构和环境进行成像和研究。在病毒学中,这些详细的图像可以帮助研究人员寻找药物靶点或研制像新冠病毒这样的病毒疫苗。

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参考文献

[1] Wolff, G., Limpens, R. W. A. L., Zevenhoven-Dobbe, J. C., Laugks, U., Zheng, S., de Jong, A. W. M., Koning, R. I., Agard, D. A., Grünewald, K., Koster, A. J., Snijder, E. J., & Bárcena, M. (2020). A molecular pore spans the double membrane of the coronavirus replication organelle. Science, 369(6509), 1395–1398. https://doi.org/10.1126/science.abd3629

[2] Klein, S., Cortese, M., Winter, S. L., Wachsmuth-Melm, M., Neufeldt, C. J., Cerikan, B., Stanifer, M. L., Boulant, S., Bartenschlager, R., & Chlanda, P. (2020). SARS-CoV-2 structure and replication characterized by in situ cryo-electron tomography. Nature Communications, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19619-7

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Josine Beets