病毒传播与极为罕见的基因表达错误有关：单分子显微镜实验验证

《ACS Chemical Biology》：Virus Propagation Linked to Exceedingly Rare Gene-Expression Errors: A Single-Molecule Microscopy Demonstration

噬菌体T7通过依赖极低浓度的宿主蛋白thioredoxin（约10个/细胞）实现复制，实验通过插入提前终止密码子及荧光蛋白标记结合单分子定位显微术验证了低水平宿主因子即可支持病毒 replisome assembly，并探讨了该机制在跨物种传播中的潜在作用。

　　病毒利用程序化基因表达错误，如终止密码子误读和核糖体框移，以高效合成功能性蛋白。这些机制背后的复杂分子过程表明，病毒可能通过自然选择优化了原本效率较低、非程序化的表达方式。根据基本的进化理论，由基因表达错误产生的低水平蛋白可能为病毒提供某种生存优势。为了验证这一假设，我们设计了一项实验，通过将终止密码子插入宿主蛋白基因并附上可光转换荧光蛋白序列，来研究这种可能性。结果表明，即使宿主蛋白的拷贝数极低，病毒仍然能够复制，这为理解病毒与宿主之间的生物分子相互作用提供了新的视角。

这项研究的核心是探索病毒在低水平宿主蛋白存在下的复制能力。例如，T7噬菌体依赖于宿主的硫氧还蛋白（thioredoxin）作为其DNA聚合酶的必需过程性因子。我们利用了一种在硫氧还蛋白基因缺失的E. coli突变株，这种突变株无法表达该宿主蛋白，从而不能支持病毒复制。然而，当我们在这种突变株中引入硫氧还蛋白基因并使用带有终止密码子的变体时，病毒仍然能够在细胞内复制。这一发现表明，病毒可能能够利用基因表达错误产生的低水平蛋白变异来实现其复制过程。这不仅揭示了病毒复制的机制，还为理解基因表达错误在病毒适应过程中的潜在作用提供了实证支持。

进一步的实验使用单分子定位显微镜技术，以更精确地测量硫氧还蛋白的拷贝数。通过将硫氧还蛋白基因与可光转换荧光蛋白（如mEos2）连接，我们能够检测到即使在极低水平表达时的硫氧还蛋白分子。实验结果显示，T7噬菌体在硫氧还蛋白拷贝数仅为约10个的情况下仍能复制，这一结果在分子和进化层面上得到了解释。硫氧还蛋白与DNA聚合酶之间的高亲和力（纳米摩尔级的解离常数）表明，这种紧密的相互作用可能是自然选择的结果，以确保DNA聚合酶具有足够长的驻留时间，从而维持其高度的过程性。这为理解病毒如何利用宿主蛋白的低拷贝数实现复制提供了新的见解。

此外，研究还指出，基因表达错误可能在病毒适应过程中扮演重要角色。非程序化的基因表达错误可能产生大量具有表型突变的蛋白变体，这些变体在细胞中广泛存在。例如，已有研究表明，约20%的蛋白分子携带表型突变。这意味着，病毒在感染过程中可能会接触到这些突变蛋白，并利用它们来建立必要的生物分子相互作用。这种现象在跨物种传播中可能尤为重要，因为病毒在新宿主中的初始生存可能依赖于这些突变蛋白的临时存在，从而为自然选择提供机会，使病毒在基因层面逐步适应新环境。

为了进一步验证这一观点，我们进行了多组实验，包括使用荧光蛋白进行的流式细胞术和单分子显微镜分析。实验结果显示，携带终止密码子的硫氧还蛋白在细胞中的表达水平远低于正常情况，但病毒仍然能够复制。这表明，病毒可能利用了宿主蛋白在基因表达错误下的变异形式来实现其复制。同时，通过单分子显微镜的定量分析，我们确认了即使在极低拷贝数下，病毒复制仍然可行。

本研究的意义在于，它不仅揭示了病毒如何利用宿主蛋白的低拷贝数实现复制，还提供了关于基因表达错误在病毒适应过程中可能发挥的作用的新证据。这种机制可能在跨物种传播中尤为重要，因为病毒需要在新宿主中找到能够支持其复制的分子相互作用，而这些相互作用可能由基因表达错误产生的蛋白变体所实现。通过这些实验，我们为理解病毒与宿主之间的复杂相互作用以及基因表达错误在病毒进化中的潜在作用提供了新的视角。