Cell头条:奇妙的基因组“手风琴”

【字体: 时间:2012年08月21日 来源:生物通

编辑推荐:

  单个基因的复制就能对抗宿主抗病毒防御,这听起来好像不太真实,但是痘病毒(poxviruses)在病毒演化过程中,通过一个基因的快速多拷贝扩增,就能适应并对抗宿主的抗病毒防御,这被称为“基因组手风琴”(Genomic Accordions),利用这个机制,痘病毒实现了突变率虽然低,但能快速进化,这一由Fred Hutchinson癌症研究中心完成的成果公布在Cell杂志上。

  

生物通报道:单个基因的复制就能对抗宿主抗病毒防御,这听起来好像不太真实,但是痘病毒(poxviruses)在病毒演化过程中,通过一个基因的快速多拷贝扩增,就能适应并对抗宿主的抗病毒防御,这被称为“基因组手风琴”(Genomic Accordions),利用这个机制,痘病毒实现了突变率虽然低,但能快速进化,这一由Fred Hutchinson癌症研究中心完成的成果公布在Cell杂志上。

同期Cell也以“Poxvirus Use a Gene Accordion to Tune Out Host Defenses”为题推荐了这项研究成果,专家们指出,“基因扩增,突变和删除的多步骤过程,帮助痘病毒克服了宿主的抗病毒防御,这种机制能遗传适应性,将能在许多生物学事件进行广泛的应用。”

痘病毒(Poxviridae)是哺乳动物的最大及最复杂的病毒,包含两个亚科痘病毒脊索亚科 (Chordopoxvirinae)、痘病毒昆虫亚科 (Entomopoxvirinae),其中最有名的就是天花病毒,天花的病原Variola病毒为Orthopoxvirus属,这一病毒曾经摧残全人类,目前已被扑灭,但是最近常被认为是一种有可能之再新兴之疾病。其它的痘病毒如骆驼痘(camel pox)及ectromelia造成低等动物的皮肤发疹。

痘病毒属于双链DNA病毒,与RNA病毒不同,双链DNA病毒虽然突变率低,但是却能快速进化,从而发展出对人类和动物攻击性强的病毒变种。那么痘病毒是采用了什么机制,实现这一进化的呢?

在这篇文章中,研究人员揭开了这个谜底,他们指出了这种大型的双链DNA是通过一种特殊机制,从而能从宿主的免疫系统中逃脱出来,并变得具有耐药性的,这种机制不仅有助于理解传染疾病在动物和人类传播的机制,而且也可以用于分析其它生物学现象。

文章的通讯作者为Fred Hutchinson癌症研究中心的Harmit S. Malik,以及Nels C. Elde,或者表示,“痘病毒中有许多编码基因,能帮助它们对抗宿主免疫防御,促进传染”,“尽管有充足的证据表明,痘病毒基因组发生了适应性变化,克服了宿主防御,但是我们仍然不知道这一机制的具体内容。”

为了弄清楚这一机制,研究人员细胞培养了牛痘病毒,这是之前用在天花疫苗中的一种病毒,研究人员希望通过分析这种病毒的变化,来模拟病毒适应性进化。

之前的研究证明一种宿主防御蛋白:PKR(蛋白激酶R)是痘病毒传染的主要屏障,为此痘病毒通过进化出两个编码基因:K3L和E3L,来对抗这一屏障。研究人员分析了牛痘病毒在敲除E3L基因后如何演化,从而在有人类PKR存在的前提下成功复制。

“戏剧性的是,这个‘弱化’后病毒的快速系列变化,导致其病毒株在人类细胞中能快速的复制”,Malik说。研究人员进一步分析了这种演化模式,发现病毒快速击败PKR,是通过选择性的增加了基因组中K3L基因的拷贝数。

Malik将这种快速适应比喻成乐器手风琴的风箱在拉动的时候出现的膨胀,“当K3L拷贝数持续增多,K3L蛋白的表达也快速扩张,从而抑制了免疫系统的应答”,他说。这表明能快速扩充其基因组的病毒,具有比其它未能扩充的病毒,更具即时进化能力。

而且这一手风琴的比喻也有进一步的含义——除了观察到E3L缺失病毒株的快速基因表达,研究人员还发现在获得了一个适应性突变后,病毒又交换了一个有益的突变,形成更小的基因组印迹。

“我们的研究表明尽管痘病毒基因表达并不长,但是能进行有效适应性进化,这有助于它们在免疫系统,和药理环境中存活下来”,Malik说,“找到这种扩增的方式,也许能为我们提供对抗相关病原体更有效的抗病毒策略。”

(生物通:张迪)

原文摘要:

Poxviruses Deploy Genomic Accordions to Adapt Rapidly against Host Antiviral Defenses

In contrast to RNA viruses, double-stranded DNA viruses have low mutation rates yet must still adapt rapidly in response to changing host defenses. To determine mechanisms of adaptation, we subjected the model poxvirus vaccinia to serial propagation in human cells, where its antihost factor K3L is maladapted against the antiviral protein kinase R (PKR). Viruses rapidly acquired higher fitness via recurrent K3L gene amplifications, incurring up to 7%10% increases in genome size. These transient gene expansions were necessary and sufficient to counteract human PKR and facilitated the gain of an adaptive amino acid substitution in K3L that also defeats PKR. Subsequent reductions in gene amplifications offset the costs associated with larger genome size while retaining adaptive substitutions. Our discovery of viral gene-accordions explains how poxviruses can rapidly adapt to defeat different host defenses despite low mutation rates and reveals how classical Red Queen conflicts can progress through unrecognized intermediates.
 

相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普
  • 急聘职位
  • 高薪职位

知名企业招聘

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号