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病毒内含子中的内切酶有何用?也是武器!干扰其他竞争病毒的包装

可移动内含子广泛存在于所有生命体的基因组中,由自剪接内含子和归巢内切酶(homing endonuclease)组成。内含子的可移动性使其能够插入基因组或相关基因组中的同源位点。归巢内切酶识别并切割与其基因插入区域同源的特定DNA靶序列。切割触发与同源染色体的重组,导致单侧基因转换和靶位点的丢失。 

病毒经常携带含有归巢内切酶的可移动内含子,其功能或选择优势尚未明,一般认为这些遗传元件是“自私”的——对宿主病毒没有什么好处。加州大学圣地亚哥分校的研究人员研究了噬菌体ΦPA3中内含子编码的归巢内切酶gp210,发现它能通过干扰共同感染噬菌体ΦKZ的复制来提高宿主病毒竞争力。gp210靶向竞争对手ΦKZ中的特定序列,从而阻止其子代病毒的组装。这项工作证明了归巢内切酶如何在病毒之间的干扰竞争中发挥作用,带来某种相对的适应性优势。鉴于归巢内切酶的普遍存在,这种选择优势可能在多种质粒和病毒竞争以及病毒与宿主相互作用中具有广泛的进化意义。文章发表在新一期的《Science》上。

Gp210是一种抑制ΦKZ复制的HNH内切酶

他们发现两种噬菌体ΦKZ和ΦPA3共感染铜绿假单胞菌时,会形成蛋白质噬菌体核(proteinaceous phage nucleus)保护它们的DNA基因组免受宿主的防御,并以此严格地将转录和DNA复制与翻译和代谢过程分开—— 一些蛋白质被选择性地导入噬菌体核,而另一些则被排除在外,这一过程的选择性取决于保守的嵌合病毒蛋白PicA。例如,ΦPA3内含子编码的内切酶gp210能自然导入ΦPA3的噬菌体核,但会被ΦKZ排斥。那么,人工将gp210导入ΦKZ噬菌体核会怎样?

为了测试人工将gp210导入ΦKZ细胞核的结果,作者用绿色荧光蛋白(GFP)突变GFPmut1对其进行了标记,这种GFPmut1可导入ΦKZ噬菌体核,当它与其他非核蛋白融合时能帮助其导入噬菌体核(其他GFP突变如superfolder GFP (sfGFP),均被排除在ΦKZ和ΦPA3的噬菌体核外)。在细菌感染ΦKZ实验中,gp210-GFPmut1抑制了噬菌斑的形成,与只表达GFPmut1的对照细胞相比,铺板成斑效率(EOP)0.0017% 。考虑到ΦPA3和ΦKZ可以同时感染同一个细胞并组装一个杂交噬菌体细胞核,ΦPA3 gp210可能会在自然共感染期间干扰竞争对手ΦKZ的繁殖,并为ΦPA3提供选择优势。

根据序列比对和AlphaFold结构预测,噬菌体ΦPA3中内含子编码的归巢内切酶Gp210是一种组氨酸-天冬酰胺-组氨酸(HNH)内切酶。将gp210的预测活性位点从组氨酸突变为精氨酸(H82R),发现gp210(H82R)-GFPmut1在铜绿假单胞菌细胞中能进入ΦKZ核且不降低ΦKZ滴度。在液体培养中,监测噬菌体存在下的细菌生长曲线显示,gp210(H82R)-GFPmut1对ΦKZ抑制细菌生长的能力没有显著影响。相比之下,gp210-GFPmut1降低了细菌对ΦKZ的敏感性,需要将滴度提高1000倍(MOI)来抑制液体培养中的细菌生长。

在液体或琼脂板上表达gp210-GFPmut1或gp210(H82R)-GFPmut1均不影响ΦPA3对细菌生长的抑制。这些结果表明,将gp210-GFPmut1导入ΦKZ核会强烈抑制ΦKZ,这取决于预测的HNH内切酶基序。

Gp210是一种靶向ΦKZ gp178基因的归巢内切酶,阻止生产活的ΦKZ病毒粒子

研究表明ΦPA3 gp210能够靶向编码ΦKZ vRNAP亚基gp178的基因。表达一种重新编码可避免被gp210识别的gp178蛋白能够恢复噬菌体的活力,证明ΦKZ滴度的丧失是由于gp178的缺失。gp210-GFPmut1阻止了ΦKZ衣壳与DNA的积累,gp210靶向ΦKZ gp178基因破坏衣壳组装,导致了ΦKZ病毒粒子组装的抑制,从而阻止了感染性病毒粒子的产生,大大降低了ΦKZ的适应性。gp210在其宿主ΦPA3与竞争对手ΦKZ共感染时,对其宿主ΦPA3提供了相对适应优势。

讨论与限制

内含子广泛存在,但在什么情况下,它们进化成能够在病毒竞争中部署的干扰因子的频率仍然存在问题。研究确定了一种病毒归巢内切酶通过阻止其竞争对手而不是作为纯粹自私的遗传因素为宿主提供竞争优势。ΦPA3编码的gp210内切酶被排除在ΦKZ核之外,但在共感染过程中,它有望被进入到两个噬菌体形成的杂交核中。在这些杂交核中,ΦPA3基因组的重组修复可能阻止ΦKZ通过获得内含子而获得gp210的保护,体现出竞争优势。研究结果表明含有内含子内切酶的病毒在竞争中具有很强的适应性优势,并为这些遗传元件在病毒中普遍存在提供了可能的解释。

归巢核内酶介导的干扰的条件可能不限于杂化核的形成。假设,对于新分化的嵌合病毒,如ΦPA3和ΦKZ的祖先,仍然共享核输入途径,通过一个噬菌体获得编码归巢内切酶的内含子将赋予强大的竞争优势。在这些相关噬菌体的共感染过程中,一个归巢内切酶输入到两个细胞核中,导致缺乏内含子的噬菌体基因组出现切割,无法被隔离在另一个细胞核中的内含子基因组修复。这使得核酸内切酶成为一种有效的武器,可以抑制缺乏内含子的密切相关的共生噬菌体,并驱动噬菌体核的进化分化以排除这些有毒蛋白质,如ΦKZ的情况。

结论

归巢内切酶广泛分布于不同的噬菌体家族以及真菌和古细菌中,它们现在已被证明具有在细胞内实现干扰竞争的潜力。这种机制在病毒之间的进化军备竞赛中尤其重要,因为通过共同感染的持续竞争和快速的病毒复制速度,即使是很小的选择优势也会迅速放大。每一种归巢内切酶都有可能进化成一种武器,因为保守的靶位点和周围基因组的分化率不同。将归巢内切酶作为武器获得的的相对适应性优势可以影响任何细胞内遗传竞争。


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