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利用细胞原位冷冻电镜揭示病毒凝聚相中应激诱导激活的分子机制

作者: 发布时间:2023-11-22 浏览次数:238
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生物大分子除了具有传统结构生物学可以解析的有序部分,还经常伴随着高度无序性的区域,而后者被发现可以参与到凝聚相的形成(biomolecular condensation),是几乎所有无膜细胞器形成的基础。解析这些无膜细胞器的组装模式,对于理解其在重要生物学过程及疾病发生中的功能是极为重要的。然而由于大分子凝聚相组成的多样性、无序性和动态性,解析其分子组装基础尤其是在细胞原位水平的相互作用机制极其困难。近年来逐渐发展成熟的冷冻电子断层扫描成像技术(cryo-electron tomography, ET)结合冷冻聚焦离子束减薄技术(cryo-focused ion beam milling)、冷冻光电镜关联技术(cryo-correlative electron and light microscopy, CLEM),与经典的定量质谱学结合,使得相分离无膜细胞器在细胞原位水平的高分辨率可视化成为可能。

欧洲分子生物学实验室(EMBL)Julia Mahamid课题组的张潇洁博士和Mikhail M. Savitski课题组Sindhuja Sridharan博士等在Cell杂志发表了题为Molecular mechanisms of stress-induced reactivation in mumps virus condensates 的研究论文。该研究利用cryo-ET、质谱定量分析及细胞生物学方法,***揭示了在宿主细胞处于应激状态时,持续性感染的腮腺炎病毒是如何通过其在宿主细胞内的复制工厂这一凝聚相来实现激活的分子机制。

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该研究是由一个意外的发现引起的。在细胞响应外界压力(如氧化、热休克、渗透应激条件等)时可以在数分钟内快速形成一种典型的无膜细胞器即应激颗粒。研究人员在利用cryo-CLEM 及cryo-ET对细胞原位水平的应激颗粒进行电镜成像时,意外的多次观察到实验所使用的HeLa细胞内有成团存在的直径约20纳米的螺旋形纤维结构。经过近两年时间的生化分离尝试、结构解析(subtomogram averaging)及质谱分析,研究人员惊奇的发现细胞不知何时意外感染了腮腺炎病毒,而这些螺旋形纤维结构其实是病毒的核衣壳(表征病毒复制工厂的位置)。病毒持续地存在于HeLa细胞中,却对细胞的增殖速度没有可见的影响。而当细胞处于应激状态时,这些病毒的复制却被诱导上调。

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图1 | 细胞应激状态下持续性感染的腮腺炎病毒复制增强。(A)意外发现的持续性腮腺炎病毒(MuV)感染模型(G3BP1为应激标记蛋白)。(B)氧化应激条件下复制水平上升。(C)免疫荧光染色观察到病毒复制工厂在应激条件体积增大、数目减少。(D)将复制工厂(VF)凝聚相形成的主要组分即磷酸化蛋白的基因转染细胞后观察到的复制工厂的类似液态属性。

为了理解细胞应激导致腮腺炎病毒激活的机制,研究人员首先利用免疫染色及光学显微镜观察这些持续性感染的细胞在受到应激处理时会发生怎样的变化。结果显示随着细胞处理时间的延长,应激颗粒逐渐形成,而病毒复制工厂这一微米尺度的细胞内结构的体积也逐渐变大,同时数目减少。进一步研究发现病毒复制工厂类似应激颗粒,也是具有类似液态属性的凝聚相,由其主要组分高度无序的磷酸化蛋白(phosphoprotein)介导形成。这些复制工厂在细胞受到应激处理时呈现动态性,小的凝聚体可以融合形成更大的凝聚体。

ctDNA的提取在肿瘤筛查中,是重要的前置步骤。目前常用的提取方法是利用生物磁珠,主要是硅羟基磁珠或羧基磁珠对血清血浆的ctDNA进行提取,由于磁珠的粒径小,比表面积大,在特定提取缓冲液中,对核酸的吸附会更加灵敏,相比于其他方法,使用生物磁珠对进行ctDNA提取得率会更高,检测灵敏度和检出限也会更合适,搭配核酸提取仪,更能实现全程自动化的提取。

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