Nature子刊:改寫教科書?將病毒重新分類才是打開疫苗的正確方式
2019/09/29
新的研究表明,從病毒的結構來看,人們對病毒的認知方式需要重新調整,因為實際上病毒的結構模式比我們以前了解的要復雜得多。這些發現可能會對病毒的分類、形成、進化和感染宿主以及確定針對病毒設計疫苗的方法的策略產生重大影響。

當病毒入侵時,我們的身體會開啟防御模式,但是一味死守并不是上策。于是我們研發出疫苗這一提前預防措施。但是接種疫苗并不意味著有了十分的保證。


新的研究表明,從病毒的結構來看,人們對病毒的認知方式需要重新調整,因為實際上病毒的結構模式比我們以前了解的要復雜得多。這些發現可能會對病毒的分類、形成、進化和感染宿主以及確定針對病毒設計疫苗的方法的策略產生重大影響。

研究結果發表在《Nature Communications》雜志上。研究表明,屬于相同結構譜系的病毒基于其所組成的蛋白質,采用一致的二十面體衣殼布局,提供了一種新方法研究病毒的進化。


DOI:org/10.1038/s41467-019-12367-3

病毒新結構受建筑的啟發

自20世紀60年代以來,病毒衣殼被結構生物學家Donald Caspar和生物物理學家Aaron Klug采用幾何框架對病毒進行分類,他們的靈感來自著名建筑師R. Buckminster Fuller設計的測地線圓頂。然而,隨著分子成像技術的進步,包括皰疹病毒和寨卡病毒在內的越來越多的三維病毒衣殼重建已經從這個經典的幾何框架中脫離出來。

科學家們開始獲取病毒的高分辨率圖像。他們發現了病毒外殼的詳細結構,這是一個由同一蛋白質的多個副本組成的外層保護層,保護病毒的遺傳物質。大多數病毒的衣殼是典型的準球形,并顯示二十面體對稱,像一個20面骰子。


進化相關病毒感染細菌和人類,采用新建立的二十面體衣殼蛋白布局

衣殼是病毒的保護層,當科學家發現衣殼的結構時,他們提出衣殼有不同的大小、攜帶不同數量的基因組,因此病毒能夠以不同的方式感染宿主。在設計針對病毒的疫苗或者藥物時,科學家可以考慮它們不同的結構形狀來提高療效。

圣地亞哥州立大學的理論生物物理學家Antoni Luque和英國約克大學的數學生物學家Reidun Twarock系統研究后,得出結論:許多病毒在60年來基本上已經被錯誤分類,包括常見的病毒,例如單純皰疹病毒和寨卡病毒。

病毒也是一個嚴謹的數學家

盡管有來自低溫電子顯微鏡的結構圖像,但是研究人員并沒有對不同病毒結構進行數學描述。

Luque說:“我們發現了六種新的蛋白質組成方式,這些蛋白質可以組成二十面體衣殼。因此許多病毒不僅僅采用兩種廣為人知的衣殼結構。現在至少有八種方法可以設計其二十面體衣殼。”研究人員利用準等價原理的一般化來觀察蛋白質如何包裹二十面體衣殼。

生物技術應用

結構生物學家可以獲取這些信息,并對病毒的結構進行重新分類,這將有助于揭示不同病毒之間的分子和進化關系。

它還將為納米技術和生物技術應用設計新的分子容器提供指導,并將幫助科學家識別針對衣殼中蛋白質組裝的特定策略。這最終可能導致開發抗病毒疫苗的更系統方法。

Luque說:“我們可以利用這一發現來針對衣殼的組裝和穩定性,防止病毒在感染宿主細胞時形成,或者在病毒形成后將其分裂。這將有助于鑒定具有相同二十面體布局的病毒的抗病毒靶點。”


皰疹病毒結構 圖片來源:約克大學Reidun Twarock教授

這個新框架可容納以前異常的病毒,提供病毒衣殼結構的新預測,并確定了在遙遠的進化相關病毒中常見的幾何模式,這種病毒會感染從人到細菌的所有生物。

Twarock說:“新的藍圖還為病毒進化提供了一個新的視角,提出了新的途徑,在進化的時間尺度上,更大、更復雜的病毒可能是從簡單病毒進化而來的。”

參考資料:

[1] Why viruses like Herpes and Zika will need to be reclassified, and its biotech impact

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