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由于病毒是专性细胞内病原体,它们必须依赖宿主细胞进行繁殖和代谢。病毒的生命周期在病毒的种类和类别之间有很大的不同,但其遵循相同的病毒复制基本阶段。病毒的生命周期可以分为几个主要阶段:吸附、进入、脱壳、复制、成熟和释放。
为了让病毒感染宿主生物,病毒基因组必须从病毒颗粒转移到宿主细胞的细胞质中。该过程始于病毒外层的蛋白质与宿主细胞表面的吸附因子结合。这些附着因子将病毒颗粒集中在细胞表面,使它们接近负责进入宿主细胞的病毒受体[1]。例如,CD4是人免疫缺陷病毒(HIV)的主要受体,但需要与趋化因子受体CCR5或CXCR4进一步相互作用病毒才能渗透[2]。病毒受体可以是蛋白质、糖脂或碳水化合物[3]。通常,单个病毒可以识别多个细胞表面受体,因此病毒颗粒可以高亲和力结合,即使单个受体亲和力不高[4]。特定受体的存在与否决定了病毒对宿主的嗜性(特定病毒能否感染特定类型的细胞)。病毒不断进化,以识别最适合病毒进入和感染宿主细胞的细胞表面受体。
病毒 | 家族 | 受体 |
---|---|---|
腺病毒2 | 腺病毒科 | CAR和αv整联蛋白 |
旧大陆沙粒病毒 | 沙粒病毒科 | α-肌营养不良聚糖 |
新大陆沙粒病毒 | 沙粒病毒科 | 转铁蛋白受体 |
诺如病毒 | 杯状病毒科 | HBGA |
非典冠状病毒 | 冠状病毒科 | ACE 2或L-SIGN |
日本脑炎病毒 | 黄病毒科 | 热休克蛋白70 |
丙型肝炎病毒 | 黄病毒科 | CD81和SR-B1(连接蛋白-1和闭合蛋白) |
埃博拉病毒 | 丝状病毒科 | TIM-1和NPC1 |
爱泼斯坦-巴尔病毒 | 疱疹病毒科 | CD21和MHC-II |
单纯疱疹病毒1/2 | 疱疹病毒科 | 连接蛋白-1/2或HVEM |
A型流感病毒 | 正粘病毒科 | 唾液酸 |
肝炎病毒 | 副粘液病毒科 | 肾素B2 |
麻疹病毒 | 副粘液病毒科 | SLAM或连接蛋白-4 |
布尼亚病毒 | 白蛉病毒科 | DC-SIGN |
肠道病毒71 | 小核糖核酸病毒科 | PSGL-1或SR-B2 |
甲肝病毒 | 小核糖核酸病毒科 | TIM-1 |
脊髓灰质炎病毒 | 小核糖核酸病毒科 | CD155 |
鼻病毒(主要群体) | 小核糖核酸病毒科 | ICAM-1 |
鼻病毒(小群) | 小核糖核酸病毒科 | LDLR |
柯萨奇病毒B | 小核糖核酸病毒 | DAF和CAR(闭合蛋白) |
约翰·坎宁安多瘤病毒 | 多瘤病毒科 | LSTc |
SV40多瘤病毒 | 多瘤病毒科 | GM1 |
人T细胞白血病病毒1 | 逆转录病毒科 | GLUT-1或神经纤毛蛋白-1 |
呼肠孤病毒 | 呼肠孤病毒科 | JAM |
轮状病毒 | 呼肠孤病毒科 | 唾液酸和整联蛋白 |
HIV | 逆转录病毒科 | CD4和CCR5或CXCR4 |
辛德比斯病毒 | 披膜病毒科 | 层粘连蛋白受体 |
名词缩写表:ACE2,血管紧张素转换酶2;CAR,柯萨奇病毒和腺病毒受体;CCR5,半胱氨酸-半胱氨酸趋化因子受体5;CD,分化簇;CXCR4,半胱氨酸-X-半胱氨酸基序趋化因子受体4;DAF,衰变加速因子;DC-SIGN,树突状细胞特异性细胞间黏附分子-3捕获非整联蛋白;GLUT-1,葡萄糖转运蛋白1;GM1,单唾液酸四己糖神经节苷脂;HBGA,组织血型抗原;Hsp,热休克蛋白;HVEM,疱疹病毒进入介质;ICAM-1,细胞内黏附分子1;JAM,连接黏附分子;L-SIGN,肝/淋巴结特异性ICAM-3捕获非整联蛋白;LDLR,低密度脂蛋白受体;LSTc,人乳寡糖;MHC-II,主要组织相容性II类;PSGL-1,P选择素糖蛋白配体1;SLAM,信号淋巴细胞活化分子;SR-B2,清道夫受体B类;TIM-1,T细胞免疫球蛋白和粘蛋白结构域 |
一旦与细胞表面受体结合,病毒通过两条主要途径进入真核细胞。一些病毒通过直接与细胞膜融合或渗透细胞膜进入细胞,但大多数病毒通过胞吞作用进入细胞(冠状病毒能够通过两种途径进入)(图1)[5,6]。大多数情况下,这种胞吞作用是通过网格蛋白包被的凹孔发生的,凹孔内的物质被运送到酸性越来越强的细胞器,从早期内体到晚期内体再到溶酶体[7]。 例如,冠状病毒可以在胞吞作用的不同阶段进行融合:MERS冠状病毒与早期内体融合,而SARS冠状病毒与晚期内体融合[4]。需要更高酸性的病毒只有到达溶酶体时才会融合[2]。这些胞吞和溶酶体囊泡具有低pH和丰富的蛋白酶,其可以触发病毒的构象变化,导致脱壳、融合或渗透到细胞质中。 甚至那些没有低pH要求的病毒也将胞吞作用作为方便的途径,迅速穿过质膜并通过细胞质到达其病毒复制位点[2]。用对酸碱度(pH)敏感的染料(例如pHrodo IFL Green STP酯染料)标记病毒颗粒,可以可视化病毒进入的过程[8]。
图 1.病毒进入细胞的途径研究。(A)包膜病毒可以与细胞表面受体结合并直接与质膜融合。病毒颗粒也可以通过胞吞作用而被内在化,从(B)早期内体或(C)晚期内体和溶酶体逃逸到胞质中。这些区室中的酸性环境和蛋白水解酶对于不同病毒的融合和进入细胞质是必需的。
一旦病毒进入细胞,其就开始脱壳和复制的过程。作为细胞内的专性病原体,病毒必须控制细胞蛋白和细胞器以实现复制。病毒基因表达和复制所需的细胞成分被运输到复制中心[2]。一些病毒在细胞质中复制,而其他病毒(例如疱疹病毒、腺病毒和流感病毒)必须到细胞核进行复制(图3)[1]。
病毒有几种方法从病毒体(宿主细胞外病毒的完整感染形式)中释放病毒基因组(,图2)某些病毒,包括鼻病毒,会在核内体中扩张形成小室,病毒基因组可以通过这些小室逃脱流感和其他病毒诱导病毒体包膜与核内体膜融合,释放病毒基因组。许多病毒,包括呼肠孤病毒,在细胞质中保持部分完整的衣壳,作为病毒复制的基地。
DNA病毒和RNA病毒之间的基因组复制是不同的,在核酸极性为正或负的病毒之间的基因组复制也是不同的[9]。 一些病毒基因组包含产生自身复制蛋白的指令,如黄热病病毒(正义RNA病毒)和SARS-CoV-2冠状病毒(正义RNA病毒)中的RNA依赖的RNA聚合酶(RdRP)[10]。像mRNA一样,+ ssRNA(单链RNA)病毒可以立即被宿主细胞核糖体翻译,无需将RNA依赖的RNA聚合酶(RdRp)带入细胞 。带有双链RNA (dsRNA)、负链RNA (ssRNA)或双义RNA基因组的RNA病毒必须携带自己的RdRp蛋白进入细胞,才能进行转录。根据病毒基因组的类型,会生成不同的聚合酶,包括RdRP、RNA依赖的DNA聚合酶、DNA依赖的RNA聚合酶和DNA依赖的RNA聚合酶[11]。这些聚合酶通常是抗病毒药物的靶标,并且可以有效地掺入核糖核苷或脱氧核糖核苷类似物,从而可以追踪化学技术检测病毒RNA或DNA合成。核糖核苷类似物5-乙炔基尿苷可用于通过Invitrogen Click-iT RNA Alexa Fluor检测病毒RNA的合成;脱氧核糖核苷类似物5-乙炔基-2’-脱氧尿苷通过使用Invitrogen Click-iT和Click-iT Plus EdU细胞增殖试剂盒,可用于研究病毒DNA的合成。还可以使用Invitrogen PrimeFlow RNA Assay Kit研究宿主细胞中的特异性病毒mRNA表达,并用Invitrogen Attune NxT流式细胞仪进行检测,或使用Invitrogen ViewRNA Cell Plus Assay Kit在Invitrogen EVOS M7000成像系统(带有EVOS台式细胞培养室)上或在Thermo Scientific CellInsight高内涵筛选平台(带有HCA台式细胞培养室)上成像。
图 2.病毒基因组释放到宿主细胞中的方法。(A) 某些病毒,包括鼻病毒,会在核内体中扩张形成小孔,病毒基因组可以通过这些小孔逃脱。(B)流感和其他病毒诱导病毒体包膜与核内体膜融合,释放病毒基因组。(C)许多病毒,包括呼肠孤病毒,在细胞质中保持部分完整的衣壳,作为复制的基地。
图 3.几种必须将其基因组转运到细胞核中才能转录或复制的病毒。流感基因组区段通过核孔被转运到细胞核中。疱疹病毒衣壳沿着微管转运到核孔,在那里发生脱壳。腺病毒衣壳在核孔处分解,病毒DNA被转运到细胞核内。包括乙型肝炎病毒在内的其他病毒很小,整个衣壳可能会穿过核孔。
病毒衣壳由一个或几个翻译后的病毒蛋白组装而成,核酸基因组和其他必需蛋白质被包装在衣壳内后,病毒复制的最后一步就发生了:成熟和释放。成熟是指在未成熟的病毒粒子最终变成有感染性的病毒粒子。通常涉及结构衣壳变化,并且这些变化可以由宿主酶或病毒编码的酶介导。在该成熟步骤后,通过出芽或裂解的方式从宿主细胞释放病毒。A型流感病毒和SARS-CoV-2等细胞病变病毒在与宿主细胞的质膜融合后,以出芽或细胞外分泌释放到细胞外。(图4)。 这个过程涉及胞吞再循环和分泌途径,通常与Rab11途径有关[12]。细胞溶解病毒如大天花(天花)导致细胞膜破裂,随后宿主细胞死亡和释放新的病毒颗粒。
病毒及其宿主细胞相互作用的成像
采用荧光分析法来促进病毒研究的发展。
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