研究人员正在重新思考将病毒描述为完全对称的模型

虽然大多数人不会认为病毒是大自然的美丽表现，但是绘制分子形状和结构的科学家更容易被打动。像20个白色六边形和12个黑色五边形的足球一样，一些病毒由一定数量的重复蛋白质单元组成，这些蛋白质单元在其基因组周围形成有序的，对称的和几乎球形的纳米壳。在过去的40年里，结构生物学领域的科学家已经开发出数百种这类病毒的漂亮的三维计算机模型。通常，它们的成分细节映射到单个原子。

除了在原子尺度上可视化病毒颗粒的令人惊叹的顺序和对称性之外，这些模型还帮助研究人员了解病毒如何在宿主中组装，感染和繁殖。但根据印第安纳州普渡大学的一组研究人员发表的一项新研究，发表在科学院院刊上，这些模型的某些方面可能并不完全切合实际。

他们的数据表明，某些类型的病毒在对称性上有所突破，标准模型没有显示出来。这些不对称可能会揭示有关这些病毒生命周期的新细节。

在1956年 - 他们宣布DNA结构仅仅几年后 - 弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森描述了他们的理论，即病毒可以具有由重复蛋白质单元组成的对称结构。正如双螺旋的发现一样，他们的思想是由罗莎琳德富兰克林先前关于病毒结构的研究所告知的，他们的想法是正确的。

虽然并非所有病毒都具有几何形状，但我们现在知道它们中的很多都有。许多不相关的群体共有的一个共同点是二十面体 - 一个有20个边和12个顶点的多边形。该形式由其外壳中的一定数量的蛋白质单元限定。

同年，克里克和沃森发表了关于病毒结构的想法，一位名叫迈克尔·罗斯曼的年轻学生正在苏格兰格拉斯哥大学完成化学结晶学博士学位 - 制作给定样品的科学结晶，使其结构可以用一束X射线和这些X射线如何衍射的数学进行探测。

这种方法也称为“X射线晶体学”，可用于各种分子，包括DNA，蛋白质甚至是具有确定形状的整个病毒。最后一个案例最终抓住了罗斯曼的兴趣。

这位科学家自1964年以来一直在印第安纳州的普渡大学(Purdue University)工作，通过X射线晶体学和相关技术建立可能是世界领先的病毒结构研究计划。在88岁时，他散发出一种显着的敏锐度，在他的学术同行中仍然显着。其中最重要的是病毒学家理查德库恩。

自1992年加入Purdue以来，Kuhn与Rossman合作绘制了几十种病毒结构。几年前，罗斯曼和库恩是第一个报告寨卡病毒结构的人 - 就像它正在涌入公众意识一样。他们使用的是一种在结构生物学领域越来越有用的新技术，而不是X射线晶体学。众所周知，冷冻电子显微镜可以从电子束产生冷冻状态的单个病毒颗粒的高分辨率图像。

最近，当倾倒一些与抗体结合的西尼罗河病毒株的冷冻电子显微镜图像时，库恩的一名学生注意到了一些不寻常的东西。

“病毒的一侧只有一个模糊的密度，”研究生Matthew Therkelsen回忆说。“这对我来说意味着病毒结构中有一个明显的特征，而这种特征并不是通过对称来预测的。”

西尼罗河病毒的典型模型将在其二十面体壳中具有180个蛋白质单元的整齐对称排列。但是，Therkelsen在他的数据中看到的模糊补丁让他质疑这个模型。

“这是我第一次认为病毒可能是不对称的，”他说。

与普渡大学的其他团队合作，Therkelsen开始将他的数据插入到病毒的计算机模型中，而不依赖于形状完全对称的假设。这些数据与这些模型一致，并显示，实际上，西尼罗河病毒的平均数量可能只有180个蛋白质单位，可以使它完全对称。

库恩认为，这种不完美可能是病毒形成的最后一步的假象，当一种新的病毒颗粒从被上一代感染的细胞膜中分离出来时。

“这个萌芽的粒子的颈部在掐断时变得非常狭窄，壳体周围的糖蛋白开始相互撞击，”库恩解释说。“我们认为它们可能无法获得正确数量的蛋白质来制造二十面体，结果就是一侧有一个扭曲的粒子。”

换句话说，对称性的突破很像肚脐。因此，这种功能可能与其他类似于西尼罗河的病毒相同。这包括寨卡病毒，登革热，黄热病和基孔肯雅病毒 - 一些人类可以从蚊子叮咬中获得的最可怕的病原体。

库恩指出，其他二十面体病毒，如脊髓灰质炎和普通感冒病毒，也可能具有这种不对称性。“[这是一个我们也在追求的有趣问题，”他说。

这种情况很可能发生。芬兰赫尔辛基大学的结构生物学家Sarah Butcher没有参与这项研究，他指出其他病毒结构不对称的证据已经在她和其他研究人员之前发表的着作中看到过。

“我们写了几篇关于如何处理这种不对称的论文，以及它的一些原因，”她说。

与Butcher这样的研究人员一起，普渡大学的研究小组还发现了在病毒解剖学中更深层次的不对称性，这些病毒在发育过程中会发生变化，并可能与蛋白质壳中的不对称性有关。

作为二十面体病毒不是完全对称构建的证据，研究人员对这些异常可以告诉我们生命周期的内容变得更加好奇。例如，除了作为病毒颗粒组装的最终点的标记之外，它们还可以在感染的初始阶段定位病毒，当它在进入宿主细胞时释放其基因组。

随着这些问题的进一步深入研究，像罗斯曼，库恩和布彻这样的科学家可能有理由重新考虑他们对对称性的假设。

“直到现在，”罗斯曼说，“任何曾经检查过的病毒都是在假设它们具有二十面体对称性的情况下进行的。

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