用超高电压低温电镜阐明巨大病毒"东京病毒"的粒子结构
—储存巨大病毒基因的巨大胶囊的结构很明显新闻发布会 2022年12月14日 自然科学研究机构生命创成探究中心/生理学研究所的宋日洪特任助教、村田和义特任教授的研究小组，与大阪大学超高压电子显微镜中心的光冈熏教授的研究小组共同，利用超高压电子显微镜中心设置的超高压低温电子显微镜※1，进行了巨大病毒的一种“东京” 通过这项研究成果，明确了容纳巨大病毒基因的新型巨大胶囊的结构。
本研究成果于日本时间2022年12月12日在美国国际学术杂志《Scientific Reports》上在线公开。 发表要点 使用大阪大学超高压电子显微镜中心设置的超电高压低温电子显微镜※1，在加速电压1 MV※4下观察了大小堪比小型细菌( 250 nm※3 )的巨大病毒的一种，东京病毒的粒子结构，并以7.7 Å※2的分辨率进行了明确。结果，容纳巨大病毒基因的新型巨大胶囊的结构变得明确了。
许多病毒粒子的表面被共同的有序排列的主衣壳蛋白( MCP )覆盖。 在东京病毒中，在这个MCP的正下方存在着支撑这个的次要衣壳蛋白质( MCP )的新的网络结构。
我们发现，在mCP和包裹巨大病毒基因的核膜之间，支架蛋白( ScP )发展，这在这种巨大病毒上形成特征性核膜上的突起结构中发挥了作用。
MCP的外侧还配置了未知的蛋白质。 众所周知，东京病毒的近亲种类吸附在作为宿主的阿米巴表面。 可能是这种尖端的蛋白质参与了对宿主的吸附。 ・研究背景 进入本世纪确认存在巨大病毒以来，在世界各地相继发现了巨大病毒。 顾名思义，粒子大小和基因大小都可以和小型细菌媲美，是以结构复杂的DNA为基因的病毒。 巨大病毒大大推翻了迄今为止的病毒概念，而且由于其具有丰富的基因以及与生物相似的特征，作为解开真核生物起源之谜的关键备受瞩目，其基因分析等也在积极地进行中。 另一方面，关于巨大病毒结构的报告屈指可数。
使巨大病毒的结构研究变得困难的主要原因在于其大小。 常见的病毒粒子结构分析采用中型透射电镜，电子加速电压高达300kV，通过病毒多种投影重建其立体结构。 但是，该方法中，电子束充分透过试样且一次对焦的范围仅限于几百nm※3。 因此，对于大小超过数百nm的巨大病毒，这种方法无法记录其正确的投影像。 因此，到目前为止，有必要对对焦的周边部分结构进行分析，将其连接起来，以重构整个巨大病毒的结构。 在本研究中，利用大阪大学超高压电子显微镜中心设置的超高压低温电子显微镜※1 (图1A )，用加速电压1MV※4记录直径250 nm※3的东京病毒的高分辨率投影像，能够以7.7 Å※2的分辨率明确其整体结构 ，结果揭示了用于存储巨大病毒基因的新型巨型胶囊的详细结构。 ・研究成果 进入本世纪确认存在巨大病毒以来，在世界各地相继发现了巨大病毒。 顾名思义，粒子大小和基因大小都可以和小型细菌媲美，是以结构复杂的DNA为基因的病毒。 巨大病毒大大推翻了迄今为止的病毒概念，而且由于其具有丰富的基因以及与生物相似的特征，作为解开真核生物起源之谜的关键备受瞩目，其基因分析等也在积极地进行中。 另一方面，关于巨大病毒结构的报告屈指可数。
使用超高电压低温电子显微镜※1 (图1A )在加速电压1MV※4下收集东京病毒的图像数据，从而以7.7 Å※2的分辨率明确了其整体结构(图1B )。 从该三维重建图像可知，东京病毒粒子从表面开始依次由主衣壳蛋白( MCP )、次衣壳蛋白( MCP )、支架蛋白( ScP )、核膜( IM )、病毒DNA(NC )构成 MCP是在其他病毒中也能看到的构成共同外壳的蛋白质(图2A的淡蓝色)。 另一方面，mCP是主要见于巨大病毒这样的大壶中的结构，具有支持mCP的作用(图2A的蓝色)。 而且，在东京病毒中，在其内侧，ScP包围在正二十面体的壶的5次轴顶点之间(图2A的黄色)，发现这在该病毒中有形成5次顶点正下方核膜的突起结构(图2A的灰色上的* )的作用 认为这个突起部分对病毒交换基因起作用。 此次发现，东京病毒的mCP采用了由7种结构物复杂组合而成的新型网络结构(图2B )。 另外，在构成外壳的MCP的更外侧发现了其他未知蛋白质(图3A的白色，b的红色部分)。 已知在东京病毒的近亲种类中，吸附在作为宿主的阿米巴表面。 有观点认为，这种前端未知的蛋白质可能与宿主的吸附有关。 ・成果的意义及今后的展开 本研究表明超高压低温电镜对巨细胞病毒的高分辨率结构分析是有效的。 此外，通过本成果，在明确了安全存储巨大病毒中巨大病毒基因的密封舱的新结构的同时，也为本病毒交换基因和选择宿主阿米巴发现了结构基础。 期待以本研究为契机，更多的巨大病毒的结构得以明确，病毒的进化以及真核生物的起源不仅从基因的信息，还从结构的角度被阐明。 图1a )设置在大阪大学超高压电子显微镜中心的超高压低温电子显微镜。
b )以7.7分辨率重建的直径250 nm的东京病毒外形。 正二十面体结构的2次、3次、5次对称轴分别用5边形、三角形、枣型表示。 h=7，k=13是表示正二十面体结构大小的指标。 由此显示是T=309大小的正二十面体结构。 为了比较大小，左下方显示了诺如病毒(直径40 nm，T=3)。
c )通过中心的切片图像。 主要由粒子表面开始，MCP (主衣壳蛋白质)、MCP (次衣壳蛋白质)、ScP (支架蛋白质)、IM (核膜)、NC (病毒DNA )构成。 核膜上可见东京病毒特征性隆起( * )，支架蛋白质(箭头)形成该隆起。 图2 a )东京病毒的粒子结构。 从外面开始，MCP :主衣壳蛋白(淡蓝色)、MCP :次衣壳蛋白(蓝色)、ScP :支架蛋白(黄色)、IM :核膜(灰色)包含内部巨细胞DNA。 *是核膜的突起结构。
B )七种结构复杂组合的新型网络结构和ScP (黄色)。 从壶内侧投影mCP。 在5个轴顶点(下面的左右)之间扩展三角形的mCP网络。 图3 a )将另一种病毒的MCP结构模型应用于MCP部分的图。 在上部分(未应用结构模型的白色区域)发现存在MCP以外的未知蛋白质。
b )用红色表示未知蛋白质部分。 ・研究支持 本研究在科学研究费补助金新学术领域“新病毒学”( JP19H04845 )、ExCELLS共同利用研究( 20-004，22 exc 601 )、生理研究所共同利用研究( 20-239 )瑞典皇家科学院等的支持下进行。刊登论文杂志名称: Scientific Reports
论文标题: a novel capsid protein network allows the character istic internal membrane structure of marseilleviridae giant viruses
作者: Akane Chihara†，Raymond N. Burton-Smith†，Naoko Kajimura，Kaoru Mitsuoka，Kenta Okamoto，Chihong Song*，Kazuyoshi Murata*。
(共同笔头作者、*责任作者)
预定刊登日期:日本时间2022年12月12日
DOI: 10.1038/s41598-022-24651-2
论文URL:https:///10.1038/s 41598-022-24651-2 主讲人千原茜(综合研究研究生院大学、研究生)、Raymond Burton-Smith (生命创建探究中心、excells flow )、 梶村直子(大阪大学超高压电子显微镜中心，特任研究员)、光冈熏(大阪大学超高压电子显微镜中心，教授)、冈本健太(乌普萨拉大学，独立研究员)、Chihong Song (生命创建探究中心/生理学研究所，特任助教)、村田和义(生命创建探究中心/生理学研究所，特任教授) 用语解说※1 :超高电压低温电镜
可以在低温(约-170℃)下观察大的生物试样的电子显微镜。 通过将在1MV※4以上的超高电压下加速的电子用作射线源，可以将通常无法观察到的微米(1/ 1，000 mm )级大小的生物试样在水溶液环境中冻结，直接进行观察。
※2:(埃)
长度单位。 1 =1/ 10，000，000毫米。 1大约相当于一个氢原子的大小。
※3:nm (纳米)
长度单位。 1 nm =1/ 1，000，000 mm。 10 = 1纳米。
※4:MV (兆伏)
加速电子的电压单位。 1mv = 1，000，000 v。 |
