透射电子显微镜的研究病毒粒子进入细胞反应:一种自然的医用材料

文摘

病毒是一种纳米级的病原体,能够感染活细胞的动物,植物,和细菌。感染是一个病毒粒子的固有属性,和生物过程提供了一个很好的模型来研究这些纳米颗粒进入细胞。在感染过程中,病毒细胞采用不同的策略,开发了各自的反应。在本文中,我们选择家蚕cypovirus 1 (BmCPV-1)与从蚕中肠细胞的相互作用,和严重急性呼吸道综合征(SARS)冠状病毒与维罗E6细胞相互作用有关,作为示例来演示真核细胞的反应两种不同类型的病毒从我们的先前的研究。bacteriophage-bacteria交互也阐明如何介绍噬菌体征服障碍细胞壁的原核细胞运输基因进入宿主。

1。介绍

病毒(噬菌体)是一种传染病的体积小,简单的组合,只能在活细胞繁殖的动物,植物,或细菌。大小的球形病毒通常范围从10个纳米到几百纳米直径。这样他们就可以被视为一种自然的医用材料(1,2]。病毒由单或双链核酸和蛋白质外壳,称为衣壳。一些病毒也有一个外层信封脂肪组成的材料(油脂)和蛋白质。核酸携带该病毒的基因一定的基因——而集合可能由脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)。蛋白质衣壳为核酸和可能包含酶提供保护,使病毒进入其适当的宿主细胞。病毒的宿主细胞从动物、植物、真菌、细菌和可分为两种类型:真核细胞和原核细胞。

透射电子显微镜(TEM)是一个强大的工具来研究微生物和长期以来一直用于病毒的发现和描述(3]。与适当的样品制备和应用程序在一个网格,病毒粒子的视觉看可以直接获得。在传统的电子显微镜技术如负染法,超薄切片,immunoelectron显微镜(4),最近开发的技术,如冷冻电子显微镜(低温电子显微镜)和单粒子分析提供了一套新的方法探讨3 d原子分辨率的大分子结构和低温电子断层扫描(CryoET)允许close-to-life条件下蜂窝结构的可视化,可以调查人员(5- - - - - -10]。因此,TEM和仍然是有价值的在阐明病毒附件和复制的细胞机制。这些信息可用于理解病毒的细胞反应。在本文中,我们讨论我们的先前的研究家蚕cypovirus 1 (BmCPV-1)与从蚕中肠细胞的相互作用,和严重急性呼吸道综合征(SARS)冠状病毒相关的交互与维罗E6细胞作为示例来演示真核细胞的反应两种不同类型的病毒(11,12]。bacteriophage-bacteria交互也总结了展示了噬菌体征服障碍细胞壁的原核基因进入宿主细胞运输。

2。BmCPV进入中肠细胞

家蚕cypovirus 1 (BmCPV-1)的一个成员在家庭的一种,属cypovirus感染蚕(家蚕),是一个重要的农业病原体(13]。BmCPV粒子有一个直径约70海里,一直作为一个模型系统来实现高分辨率结构cryoEM和单粒子分析由于其刚度,高产量,和特殊的表面特征14,15]。宿主细胞BmCPV蚕中肠细胞。超薄切片的收集中肠后不同时间点被桑叶。电镜观察显示病毒粒子的存在中肠细胞内外3小时postinoculation(图1)。很明显,纤维围食膜没有阻止病毒的入侵。病毒粒子被坚持的表面微绒毛,穿透等离子体膜,解决自己在微绒毛(图1 (b))。嵌入式病毒粒子的等离子体膜不连续只在病毒穿透网站并没有明显的观察膜的破坏。指出,所有这些病毒粒子保留他们的二十面体的完整性和似乎不受入口。因为没有质膜内陷或胞质囊泡含有病毒粒子被检测到,我们排除了病毒粒子通过病毒固定内化的可能性。我们总结了BmCPV-1病毒粒子进入柱状细胞的过程如下。最初,病毒粒子识别和附着于微绒毛的质膜病毒峰值,然后病毒粒子继续与细胞膜相互作用,导致几乎没有明显的膜破坏现场。最终,病毒粒子渗透通过微绒毛和定居在柱状细胞的细胞质中。

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图1

家蚕 11 电子显微图口周围的中肠细胞接种BmCPV-1。(一)截面的微绒毛(Mv)显示不同阶段的病毒进入中肠柱状细胞。完整的病毒粒子被认为坚持(箭头)开放,穿透(箭头),在(箭头)微绒毛。插入:更高的病毒粒子穿透细胞膜的放大。(b)病毒粒子(箭头)被发现在细胞质中的高脚杯室(我们)和预测(CP)和杯状细胞的细胞质(GC)。(c)病毒粒子(箭头)是分布在细胞质的肌原纤维中肠肌细胞(MC)。几个病毒粒子(箭头)发生在血腔(H)酒吧= 100海里。]。

3所示。维罗E6 SARS冠状病毒进入细胞的膜融合

SARS冠状病毒,pathagen造成严重急性呼吸系统综合症(SARS)的爆发2003年,属于家庭Coronaviridae [16,17]。BmCPV相比,SARS冠状病毒具有脂质膜的直径约100海里而BmCPV没有膜(18]。一个敏感宿主细胞的SARS冠状病毒是维罗E6细胞来源于肾脏上皮细胞从一个非洲绿猴(Chlorocebus sp。)[12]。可以看到它与超薄切片和电镜,病毒粒子首先附着于宿主细胞的表面时,那么他们的信封与细胞膜融合,整个病毒粒子进入细胞。核衣壳是模糊的轮廓后,病毒粒子失去了信封(图2(一个))。病毒后,细胞细胞器开始为病毒的传播工作。核糖体被招募到r,最初的病毒衣壳组装的室,然后在病毒形态发生矩阵封闭囊泡(VMMV来自r(图)2 (b))。七个小时postinfection (p),形成光滑的观察在高尔基体小泡,然后核衣壳在VMMV芽到光滑的囊泡和获得他们的信封在pi工作24小时的样品。(图2 (d))。最后,光滑的囊泡融合的细胞膜和病毒粒子释放(图2 (c))。由于直径约100纳米大小的信封上的明显的特点,很容易在电子显微镜下观察病毒。

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图2

12 x和严重急性呼吸道syndrome-associated冠状病毒(SARS)州立E6细胞。(一)病毒粒子附着于细胞表面(箭头),然后他们信封与细胞膜融合和核衣壳进入细胞。这些核衣壳的轮廓模糊的病毒粒子后失去了信封(箭头)。(b)的核衣壳组装肿胀r(箭头所指)。一些核糖体附着在膜的r。(c)细胞释放的病毒粒子。一个平滑的囊泡与细胞膜融合(宽箭头);病毒粒子仍位于光滑的小泡(锋利的箭头)。(d)萌芽的核衣壳VMMV光滑的囊泡。非典浸核衣壳的植物发芽VMMV(锋利的箭头)到光滑的囊泡和获得峰值和信封(宽箭头)。纳米(]。

4所示。Bacteriophage-Host交互

与真核细胞,细菌噬菌体的宿主细胞,具有细胞壁和不包含细胞核。广泛接受,噬菌体基因组释放到细菌通过门户孔位于一个顶点的衣壳,把空衣壳与宿主细胞表面(19,20.]。在这个过程中,一个有趣的一步是噬菌体如何违反了疏水屏障膜(s)和聚合糖细胞壁的结构。最近这个问题已经受益于发展低温电子显微镜(低温电子显微镜)和低温电子断层扫描(cryo-ET)方法现在提供了一个全面和动态视图的原位相声噬菌体与宿主之间即使在纳米尺度(21,22]。Podoviridae噬菌体的结构与其宿主ε15沙门氏菌anatum(23)和海军podovirus主机Prochlorococcus(24)表明,噬菌体绑定到其外膜受体触发的尾巴中心(图3(一个))。核心然后退出衣壳,形成了管跨的周质DNA运输。大肠杆菌噬菌体T4 (25)和P1 (Myoviridae) [26]识别第一个主人saccharidic受体通过长尾纤维,导致底板的构象变化,暴露了短尾巴纤维并确保最终对接的噬菌体到宿主细胞墙(图3 (b))。同时,尾巴合同和dsDNA驱逐。对于noncontractile-tailed siphophages,等大肠杆菌T5 [27),枯草芽孢杆菌SPP1 [28],lactococcal噬菌体p2 [29日],saccharidic链被认为是非由噬菌体组件在最初的可逆的步骤,其次是不可逆转的的具体对接尾巴纤维蛋白在宿主受体的FhuA孔蛋白,分别或YueB extramembrane域(图3 (c))。

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图3

原。球藻 24 大肠杆菌 26 29日 与冷冻电子显微镜观察bacteriophage-host交互。(一)低温电子断层扫描podovirus P-SSP7感染面向感染噬菌体与门户subtomograms顶点到细胞表面。噬菌体尾纤维横向扩展(红色箭头标记)]。(b)的构象变化噬菌体P1在尾部收缩和DNA注入。的只是细胞的一部分,DNA标志着粉色衣壳停留的,尾巴不是简约(左)。简约的噬菌体的结构没有DNA(右)(]。(c)毒性lactococcal噬菌体p2的电子显微图。总体结构的噬菌体p2(右)显示衣壳(蓝色),尾巴,形成环的大尾巴六聚体蛋白(黄金),球状底板(黄金、底部)(插入)。基板是由单粒子重建分析。受体结合蛋白(RBP)职位由蓝色箭头标识或一个蓝点。RBP头是指向[]。

5。结论

电子显微镜是一种强大的工具来可视化细胞细胞器的超微结构和病毒粒子,研究virus-cell交互。传统的超薄切片技术可以获取不同的病毒感染宿主细胞的步骤。最近,cryo-thin部分技术克服了完整性的丧失引起的细胞固定在样品制备普通薄片。CryoEM技术,包括样品的冷冻在液氮温度下,在低剂量成像(~ 20 e / A²),和改进的图像处理算法,还提供有前途的方法来研究病毒颗粒在原子分辨率和virus-cell交互在活的有机体内。

Virus-cell交互,病毒感染的重要一步,是一个快速的过程。病毒使用不同的策略基于他们自己的架构和宿主细胞的类型。原核细胞的细胞壁强烈,相对较厚。细菌病毒(噬菌体)因此进化尾巴绑定到细胞基因组然后排出进入宿主细胞。真核细胞没有细胞壁;他们只有细胞膜脂质双分子层和蛋白质有关。病毒利用这些结构在很多方面。最简单的是膜融合,病毒粒子膜与细胞膜融合直接或通过一个特定的受体,中介和病毒核蛋白质的复杂直接传递到细胞的细胞质中。所有包膜病毒似乎分享条目的融合模式。大多数nonenveloped病毒,如dsDNA腺病毒(Adenoviridae)和简单的极家蚕cypovirus 1,通过渗透和内吞作用进入细胞囊泡。

确认

作者感谢博士的同类Donmez有价值的讨论。研究得到了国家自然科学基金(Jingqiang张,10274106),中国国家自然科学基金(淑玉商量刘,31170691)。

引用

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