在與侵入日常生活的病毒作斗爭中，觀察和理解戰(zhàn)場至關重要。莫格里奇研究所的科學家們首次對分子結構進行了成像，這些結構對于一大類病毒如何在受感染的細胞內復制至關重要。

“挑戰(zhàn)有點像是一名汽車修理工，無法看到引擎或它是如何詳細組合在一起的，”Morgridge研究所病毒學主任，大學腫瘤學和分子病毒學教授Paul Ahlquist說。威斯康星 - 麥迪遜。“這項工作是我們對引擎的第一次看法。”

該研究于6月27日發(fā)表在eLife雜志上，采用開創(chuàng)性的低溫電子斷層掃描技術，以生動的細節(jié)揭示復雜的病毒復制過程，開辟了可能破壞，拆除或重定向病毒機制的新途徑。

Ahlquist實驗室的幾個目標之一是了解正鏈RNA病毒的基因組復制，正鏈RNA病毒是包括許多人類病原體的最大遺傳類病毒，如寨卡病毒，登革熱病毒，非典型肺炎病毒和基孔肯雅病毒。該小組以戰(zhàn)略方式研究過程，不僅關注單個重要病毒的細節(jié)，而且關注適用于整個班級的大型原則。

為什么要關注基因組復制?

“大多數(shù)病毒基因組，通常約為75%，被用于基因組復制，”Ahlquist說。“病毒告訴我們 - 用最寶貴的資源投票，它的編碼能力 - 這是感染的重要工作。”

該過程恰好發(fā)生在受感染細胞的膜上。病毒使復制區(qū) - 基本上是新的細胞器 - 在其中發(fā)生基因組復制過程。在Ahlquist實驗室中用作模型的諾達病毒在線粒體膜上進行該過程。

未感染的線粒體在其外部具有兩個膜。在感染病毒的線粒體中，這些膜之間的空間被擴展并填充有小球，圓形小泡約50納米。

Desiree Benefield是Morgridge研究所Ahlquist實驗室的博士后研究員，他說所有正鏈RNA病毒都依賴宿主膜重排和復制區(qū)的形成來復制它們的基因組。這成為廣譜抗病毒藥物的有吸引力的目標，這些藥物對多種病毒都有效。

“通過這些令人興奮的新結構信息，我們可以更多地了解隔室的形成和功能，”Benefield說。“這些信息將有助于我們理解病毒復制，并提供有關如何控制它的見解。”

復制區(qū)室或小球包含RNA鏈，即病毒的遺傳密碼。正是在這些小球中發(fā)生了RNA合成。然后將產(chǎn)物RNA從小球中排出并用于制造更多蛋白質，或者將其包裝成新的感染性顆粒以制造下一代病毒。

Benefield表示，冷凍電子斷層掃描(cryo-ET)的新用途使科學家能夠以前所未有的細節(jié)看到復制室。

“我們能夠看到以前只能從生化和遺傳實驗中推斷出的結構元素，以及引人注目的新功能，這些都是前所未有的。”

傳統(tǒng)的電子顯微鏡有其局限性，需要對樣品進行一系列苛刻的步驟：化學固定，重金屬染色和嵌入塑料中。使用高反應性和危險的化學品，過程緩慢，樣品固定，因此成像，處于不自然的狀態(tài)。

冷凍ET的樣品制備更簡單，產(chǎn)生更好的結果。將樣品在納秒內快速冷凍成液體乙烷，用液氮冷卻。因為它被快速冷凍，所以樣品被困在一個更天然的狀態(tài)。水分子也沒有時間組織和結晶，因此冰是玻璃質的，玻璃狀的。

雖然冷凍ET的冷凍部分改善了樣品制備，但斷層掃描組件通過創(chuàng)建3D可視化使成像更進一步。

使用傳統(tǒng)的電子顯微鏡，復制室看起來很細長，幾乎是足球形的。固定技術縮小了小球，它們的內容萎縮了。Cryo-ET顯示了現(xiàn)實 - 結構非常圓，意味著它們像氣球一樣處于壓力之下，并且充滿了像紗球一樣包裹的RNA鏈。小球的大小根據(jù)被復制的RNA的長度而變化。

“我首先對這些結構的美麗和優(yōu)雅感到震驚，”Benefield說。“我對這種病毒在復制RNA方面的效率以及它如何完全吸收宿主細胞線粒體以最終產(chǎn)生更多病毒感到驚訝。這是一種真正令人羞愧的工作中病原體幕后的瞥見。”

小球沿著線粒體膜有一個頸部，通向細胞質。在這里復制RNA的成分進入，產(chǎn)品問世。一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是存在一個位于頸部頂部的冠狀結構。

該結構是一個高度組織，高度對稱的杯子，外面有12個牙齒。這是一個結構特征，可能將所有東西放在一起。如果囊泡是在壓力下的圓形氣球，則冠狀物就像綁在氣球的頸部上一樣。

新的結果進一步表明，冠包含讀取和復制RNA鏈的病毒蛋白，并且可能代表基因組復制復合物的主要引擎。要完善這些冠的形狀和功能還有很多工作要做，但揭示它們的存在并對其結構和對稱性進行成像是朝著正確方向邁出的重要一步。

“如果我們想要操縱和控制這些復合體，我們必須了解它們的詳細操作”，Ahlquist說。“如果你不知道它看起來是什么以及它是如何組合在一起的話，你就無法理解它是如何發(fā)揮作用的。”

Ahlquist說，正RNA鏈病毒只是六種不同類別病毒中的一種。越來越明顯的是，復制隔室的形成，甚至可能是與冠相關的結構，可能由多個類共享。

“雖然這些類別被視為非常不同，但在基因組復制方面，六類中有三類存在相似之處，”Ahlquist說。“這具有進化意義，使我們能夠整合來自不同系統(tǒng)的結果，以達到意想不到的新見解。”