Science：首次发现病毒操纵细菌细胞结构机制

在一项新的研究中，来自美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员首次描述非常大的病毒在感染期间如何重编程细菌细胞内的结构。这一重编程过程让这些外来入侵的病毒诱导细胞产生上百个新的病毒，最终让它们感染的细胞因发生爆裂而死亡。相关研究结果发表在2017年1月13日那期Science期刊上，论文标题为“Assembly of a nucleus-like structure during viral replication in bacteria”。

在开展一系列实验后，研究人员详细地观察到当入侵的病毒进行复制时细菌细胞内部到底发生了什么。

论文通信作者、加州大学圣地亚哥分校分子生物学教授Joe Pogliano说，“科学家们几百年来一直在研究病毒，但是在此之前，我们从未观察到这一点。我们开展的每个实验都获得新的激动人心的发现。”

感染细菌的病毒，也被称作噬菌体，是地球上数量最多的实体之一。

论文共同作者、加州大学圣地亚哥分校分子生物学教授Kit Pogliano说，“我们选择研究一类非常大的噬菌体，并且采用前沿的方法以前所未有的细节观察它们的复制。”

Joe Pogliano和他的同事们发现在噬菌体感染细菌后不久，它们破坏细菌细胞中许多现存的结构（包括细菌DNA），然后劫持剩余的细胞结构。这些噬菌体随后将整个细胞重新组装为一种高效的集中式工厂来产生更多的噬菌体。

Pogliano说，“这种工厂和被感染细胞的周边排布显著类似于在植物细胞和动物细胞中观察到中的结构。”

细菌缺乏很多在植物细胞或动物细胞中让细胞过程区室化的特殊结构。比如，细菌缺乏一种膜包围的细胞核。细胞核含有遗传信息，起着细胞控制中心的作用。

不过，Pogliano实验室博士后研究员Vorrapon Chaikeeratisak和研究生Katrina Nguyen发现入侵的噬菌体让细菌内部发生结构重组，从而产生类似于在真核细胞中发现的那些结构。

利用荧光显微镜，Chaikeeratisak和Nguyen发现当噬菌体在细菌细胞内复制时，它们构建区室从而将感染期间发生的不同过程分隔开来。

Chaikeeratisak说，“正如植物细胞或哺乳动物细胞中的细胞核那样，这些区室包被着所有的病毒DNA。DNA过程，如复制或转录，都在区室内发生，而蛋白表达在区室外发生。”

加州大学圣地亚哥分校化学与生物化学教授Elizabeth Villa和加州大学旧金山分校生物化学与生物物理学教授David Agard采用一种被称作低温电子断层扫描术（cryo-electron tomography, cryo-ET）的技术捕捉Chaikeeratisak和Nguyen起初在非常高的放大倍数下发现的那些过程的图像。

这些图像表明新的噬菌体颗粒在细菌的细胞核样区室（nucleus-like compartment）周围进行组装。最终，这些新的病毒颗粒让细胞发生爆裂并扩散出去，从而感染附近的细胞。

Pogliano说，“观察到噬菌体操纵细菌细胞是完全出乎意料之外的，这是因为之前还未曾发现噬菌体如此剧烈地让细菌细胞发生结构重组。这种简单的细菌细胞经过重组后产生的结构类似于现存的更加复杂的真核系统，从而模糊了简单的细菌细胞与植物和动物等高等生物细胞之间的界限。”

这可能是多细胞有机体进化出来的方式吗？一种现存的被称作病毒性真核生物起源（viral eukaryogenesis）的观点提示着首个真核生物细胞是当一个大的病毒接管一个细菌时产生的。最终，这个细菌和这个病毒形成一个复杂的细胞，在那里，这个病毒进化为细胞核。

Pogliano说，“想要了解这种特定的病毒是否是由细菌和病毒进化为多细胞真核生物的一个中间步骤，可能仍然为时过早，但是这一发现可能拓宽我们对生命起源的认识。”