细胞内铁离子正向调控拟菌病毒复制周期并提升病毒产量

本研究发现，以APMV和Tupanvirus为代表的拟菌病毒（mimiviruses）能够利用宿主细胞的营养免疫机制，通过上调铁还原酶活性、抑制铁转运蛋白，主动增加吞噬体内铁离子浓度，从而促进病毒星门（stargate）打开和病毒基因组释放。这一发现揭示了病毒颠覆宿主防御策略（如活性氧ROS和金属离子调控）的新机制，为巨型病毒（GVs）与宿主互作研究提供了新视角。

　　

ABSTRACT

拟菌病毒作为核质病毒门（Nucleocytoviricota）的成员，其病毒颗粒巨大且表面覆盖纤维，仅在一个特化的五倍体顶点存在称为“星门”（stargate）的结构。星门的打开对于将病毒核心递送至吞噬性阿米巴的细胞质中至关重要。尽管宿主通过调控吞噬溶酶体内过渡金属浓度以清除病原体，拟菌病毒却进化出独特的适应性机制，不仅能抵抗这种 hostile 环境，还能利用其中某些因素——如铁离子——以增强自身复制。

INTRODUCTION

专业吞噬细胞（如阿米巴、巨噬细胞等）通过吞噬作用清除外源物体，其吞噬体环境极具 hostile：酸性pH（4–5）、活性氧（如H₂O₂）以及过渡金属离子的调控共同构成“营养免疫”策略。其中，铁（Fe）和锰（Mn）的外排可限制病原体生长，而铜（Cu）和锌（Zn）的积累则可增强氧化损伤。尽管如此，某些病毒（如HCV和HIV-1）已进化出机制以调控宿主金属离子代谢，进而促进自身复制。本研究聚焦于拟菌病毒，旨在探索金属离子——尤其是铁——在其复制周期中的作用。

MATERIALS AND METHODS

本研究以Acanthamoeba castellanii（ATCC 30011）为宿主细胞，培养于PYG培养基。病毒包括Acanthamoeba polyphaga mimivirus（APMV）、Tupanvirus（TPV）和Antarctica virus，均通过感染阿米巴细胞并纯化获得。采用冷冻电镜（cryo-EM）分析病毒颗粒在FeCl₃或CuCl₂处理下的星门打开情况。细胞内铁浓度通过Ferrozine法测定，铁还原酶活性使用K₃Fe(CN)₆追踪，H₂O₂产量通过Amplex Red荧光法检测，超氧化物歧化酶（SOD）活性则通过NBT还原法评估。

RESULTS

Stargate opening in TPV, APMV, and SMBV can be triggered by both iron and copper ions, albeit with differing sensitivities to each metal

冷冻电镜分析显示，FeCl₃和CuCl₂均能诱导三种病毒的星门打开，但效率存在显著差异：TPV对铁最为敏感（94%打开），而APMV仅16%。这表明尽管星门打开机制在拟菌病毒中保守，但其分子调控可能存在差异。

APMV and TPV increase iron uptake by amoebas during the first hours of infection

感染1小时和3小时后，APMV和TPV均能显著增加宿主细胞内铁离子浓度：APMV感染使铁含量提升7.3–8.7倍，TPV则提升9.5–10.5倍。这一现象与病毒在吞噬体内的滞留及星门打开时间点高度吻合。

Pretreatment of cells with FeCl₃ increases iron uptake during GVs infection

宿主细胞在500 μM FeCl₃预处理36小时后，细胞内铁积累增加2.1倍。随后感染APMV或TPV仍可进一步增加铁浓度，表明病毒 infection 本身即可促进铁摄取。

The presence of iron affects the viral titer

铁预处理显著提升病毒滴度：APMV在100 μM FeCl₃下滴度提高1000倍（达10¹³ TCID₅₀/mL），TPV在500 μM下提高100倍（10⁹ TCID₅₀/mL）。TPV滴度提升较低可能与其病毒颗粒组装错误率较高有关。

Infection with giant viruses increases iron reductase activity

细胞裂解液中的铁还原酶活性在感染早期（30分钟–3小时）显著上升：APMV感染后活性最高提升4.8倍，TPV提升2.4倍。这表明病毒可能通过调控宿主铁还原酶（如AcFERED）促进Fe³⁺还原为Fe²⁺，从而增加吞噬体内铁可用性。

The presence of APMV and TPV in phagosomes alters the production of hydrogen peroxide and the activity of the enzyme superoxide dismutase

H₂O₂产量在感染过程中呈现双峰变化：APMV在30分钟和8小时出现峰值，TPV在30分钟和3小时出现峰值。SOD活性同样在感染早期（30分钟和3小时）显著上升，表明病毒可能调控氧化应激反应以利于自身复制。

DISCUSSION

本研究表明，铁离子在拟菌病毒复制早期——尤其是星门打开阶段——发挥关键作用。病毒通过抑制NRAMP1等铁转运蛋白、上调铁还原酶活性，将铁离子“困”于吞噬体内，进而促进星门打开和基因组释放。同时，H₂O₂的产生和SOD活性的变化表明，病毒可能主动调控宿主氧化还原环境以支持复制。这一系列策略凸显了拟菌病毒与宿主相互作用的独特性和复杂性。

Conclusions

铁离子通过促进星门打开和增强病毒粒子生产，正向调控APMV和TPV的复制周期。病毒通过调控宿主铁代谢酶和氧化应激反应，将原本用于防御的金属离子转化为复制优势。该研究不仅深化了对巨型病毒-宿主互作的理解，也为探索病毒利用宿主代谢机制提供了新方向。