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Cell | 核衣壳组装驱动埃博拉病毒工厂的成熟与扩散

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-05 17:30

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撰文 | 染色体

液-液相分离是细胞区隔化的关键机制， 埃博拉病毒 （ EBOV ）等非节段负链RNA病毒利用这一机制在细胞内形成无膜的 病毒复制工厂 （ VFs ），为病毒的转录和复制提供一个保护性环境 【1】 ，同时也能有效屏蔽宿主的免疫反应 【2】 。埃博拉病毒的VFs聚集了病毒RNA及其相关的复制蛋白，并通过 核蛋白 （ NP ）驱动形成液体细胞器 【3】 。随着感染的进展，基质蛋白VP40及其他相关蛋白参与到VFs的形成过程中，促进 核衣壳 （ NC ）从松散的螺旋结构转变为刚性的圆柱形结构，最终组装成完整的病毒粒子 【4】 。

2024年12月31日，来自德国海德堡大学传染病病毒学研究室 Schaller 研究小组的 Petr Chlanda 与 Melina Vallbrach 在 Cell 期刊发表题为 Nucleocapsid assembly drives Ebola viral factory maturation and dispersion （核衣壳组装驱动埃博拉病毒工厂的成熟与扩散）的文章。研究揭示了埃博拉病毒感染中，NC从松散螺旋结构转变为紧密平行束的过程。他们发现，VFs在感染早期与中间丝蛋白结合，无宿主物质参与；随着感染进展，VFs逐渐与细胞成分接近。VFs的固化、形态变化和分散促进了NC暴露，助力其向病毒出芽部位运输。

尽管VFs的功能已受到广泛关注，但其在病毒感染过程中的发育及物理特性仍未得到深入理解。RNA复制、NC组装与VFs液体特性之间的关系尚不明确。揭示VFs超微结构的变化及其与液体特性之间的联系，将有助于阐明病毒复制和核衣壳成熟的协调机制。

VFs的形态演变与NC组装

首先，研究人员发现，埃博拉病毒复制工厂在感染过程中经历了显著的形态变化，这些变化与核衣壳的组装和束形成密切相关。感染14小时时，VFs呈球形，体积约为40 μm³，分布均匀，内部仅包含少量松散的左旋螺旋结构的NC，直径约为34 nm，螺距24 nm，结构柔韧且易弯曲，类似于体外由核蛋白（NP）生成的前体结构。在此阶段，VFs保持较高的球形度（0.86）。随着感染进展，VFs的体积增至227 μm³和77 μm³，形态变得更加粗糙，球形度分别下降至0.80和0.79。透射电镜和低温电子断层扫描（cryo-ET）显示，VFs内部的NC数量显著增加，且这些松散的螺旋结构逐步压缩成直径为50 nm、内径为20 nm的刚性圆柱体。这些成熟的NC长度为918 nm，与封装19 kb基因组RNA所需的螺旋结构长度一致，表明NC已完成病毒基因组的封装。研究还发现，NC在VFs内逐渐排列成平行束，并呈准六边形紧密堆积，NC间距为30 nm。随着感染的进行，18小时后NC束由2–5个NC组成，到了22小时，束的数量增至最多21个，并朝着质膜迁移，与病毒出芽过程密切相关。实验结果表明， NC的组装和束形成驱动了VFs形态的成熟，导致球形度下降、扩散增加，并扩大了与细胞质的接触面积。这一过程促进了病毒的复制、组装和出芽。

VFs的成熟和调控

接下来，研究人员进一步探讨了埃博拉病毒VFs在感染过程中的形态变化，以及这些变化与NC组装和细胞骨架相互作用的关系。研究发现，在感染早期，VFs主要由松散盘绕的NC构成，并不包含大多数细胞器，但富含中间纤维蛋白vimentin。随着感染的进展，VFs开始扩散，逐渐包含核糖体、小囊泡和细胞骨架成分（如肌动蛋白和微管），并出现形态变化。到22小时时，VFs失去整体性，NC与肌动蛋白结合，并通过运输、横向结合和包裹过程参与病毒的出芽。VP40蛋白被招募到VFs，与NC相互作用，促进病毒的组装和出芽。进一步分析表明，NC束的形成与其运输、质膜结合及出芽过程密切相关。研究还发现vimentin在VFs的形成和调控中发挥关键作用。感染后，vimentin重新组织，形成紧密的束状结构，并部分进入VFs内部。破坏vimentin网络或通过基因敲除vimentin会显著抑制VFs的形成，减少病毒RNA的合成和蛋白的表达，并使VFs的球形度增加，表明vimentin对VFs的形状和完整性具有重要的调控作用。此外，研究发现 NC的组装是由VP24驱动的，VP24调节VFs的流动性。随着感染进展，VFs的流动性逐渐下降，标志着从基因组复制到病毒组装和出芽的过渡。

综上所述，该研究揭示了VFs和NC组装过程中的结构变化。结果表明，NC的组装在调控VFs流动性方面发挥了关键作用。随着NC的减少，VFs的形态发生变化，增加了VFs与细胞质的接触，并暴露了NC，这有助于NC向病毒出芽位点的运输。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.024

制版人：十一

参考文献

[1] Etibor, T.A., Yamauchi, Y., and Amorim, M.J. (2021). Liquid Biomolecular Condensates and Viral Lifecycles: Review and Perspectives. Viruses 13, 366. https://doi.org/10.3390/v13030366.

[2] Guseva, S., Milles, S., Jensen, M.R., Salvi, N., Kleman, J.P., Maurin, D., Ruigrok, R.W.H., and Blackledge, M. (2020). Measles virus nucleo- and phosphoproteins form liquid-like phase-separated compartments that promote nucleocapsid assembly. Sci. Adv. 6, eaaz7095. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz7095.

[3] Bodmer, B.S., Vallbracht, M., Ushakov, D.S., Wendt, L., Chlanda, P., and Hoenen, T. (2023). Ebola virus inclusion bodies are liquid organelles whose formation is facilitated by nucleoprotein oligomerization. Emerg. Microbes Infect. 12, 2223727. https://doi.org/10.1080/22221751.2023.2223727.

[4] Wan, W., Kolesnikova, L., Clarke, M., Koehler, A., Noda, T., Becker, S., and Briggs, J.A.G. (2017). Structure and assembly of the Ebola virus nucleocapsid. Nature 551, 394-397. https://doi.org/10.1038/nature24490.

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