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    鄧紅雨課題組與合作者揭示VMP1和TMEM41B是β冠狀病毒侵染過程中DMV形成的關鍵宿主因子

    發布時間:2022年07月30日

      β冠狀病毒家族屬于正義單鏈RNA病毒,包括SARS-CoV-2、SARS-CoV和MERS-CoV等。β冠狀病毒侵入宿主細胞后,其基因組RNA借助宿主的翻譯系統翻譯成兩條多蛋白鏈ORF1a和ORF1b,進而被切割成16個成熟的非結構蛋白nsp1-16。部分nsp蛋白可以引起宿主細胞內膜系統的重塑,形成病毒復制細胞器(replication organelle, RO),其中最主要的RO是雙層膜囊泡(double-membrane vesicle, DMV)。病毒復制轉錄復合體隱藏于RO中進行工作,保護新生成的RNA鏈免于被宿主細胞識別及清除。但是DMV形成的分子機制和調控機理以及是否有宿主因子參與這一過程均不清楚。

      2022年5月11日,中國科學院生物物理研究所鄧紅雨課題組聯合南方科技大學生命科學學院趙燕課題組在《Journal of Cell Biology》上發表了題為"VMP1 and TMEM41B are essential for DMV formation during β-coronavirus infection"的研究論文,揭示了內質網定位的自噬蛋白VMP1和TMEM41B是β冠狀病毒侵染過程中必需的宿主因子,并在DMV形成的不同步驟發揮重要作用。

      內質網定位的VMP1和TMEM41B是自噬和脂質代謝過程的關鍵蛋白。近期報道的全基因組CRISPR/Cas9篩選發現VMP1和TMEM41B在SARS-CoV-2的侵染過程中也發揮了重要功能,但具體機理不明。研究人員首先利用同屬β冠狀病毒家族的小鼠肝炎病毒(mouse hepatitis virus, 可在BSL-2操作)感染細胞實驗,證實了VMP1TMEM41B缺失后,病毒可以入侵細胞,但是無法正常復制,電鏡觀察也檢測不到DMV,提示VMP1和TMEM41B為DMV形成所必需。

      之前研究發現,哺乳動物細胞中外源表達的β-冠狀病毒蛋白nsp3和nsp4可以通過相互作用引起內質網腔狹窄化,并進一步彎曲形成DMV樣雙層膜囊泡,為研究DMV形成機制提供了良好的模型。研究人員證實了表達SARS-CoV-2的nsp3和nsp4也可以誘導DMV形成,并且通過熒光蛋白酶保護實驗(fluorescence protease protection, FPP)發現nsp3位于DMV的外膜上,而nsp4位于DMV內膜上,且這種分布對于DMV形成必不可少。利用nsp3和nsp4誘導DMV形成這一模型,研究人員發現TMEM41B敲除細胞中, nsp3和nsp4的結合顯著減少,而過表達TMEM41B可以促進nsp3和nsp4的結合。VMP1缺失不影響nsp3和nsp4的相互作用和內質網的狹窄化,但是狹窄的內質網形成同心圓樣結構,而非正常的DMV。這些結果說明VMP1和TMEM41B在DMV形成的不同階段發揮功能。

      研究人員在線蟲中進行全基因組RNAi篩選發現,敲低磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine, PS)的合成酶基因pssy-1可以抑制epg-3(VMP1的線蟲同源基因)突變引起的線蟲表皮細胞中脂滴的增大。在哺乳動物細胞中敲降pssy-1的同源基因PTDSS1也可以抑制VMP1敲除引起的脂滴增大,并可以部分逆轉其DMV異常的表型。過去研究發現VMP1具有磷脂翻轉酶(scramblase)功能,結合本研究結果,提示PS可能在DMV的形成中發揮了關鍵作用。

    圖. VMP1和TMEM41B在DMV形成不同階段發揮功能的示意圖

      綜上所述,該研究表明SARS-CoV-2的非結構蛋白nsp3和nsp4分別位于DMV膜的兩側,這一獨特的分布對于狹窄的內質網彎曲形成DMV囊泡非常重要。內質網自噬蛋白VMP1和TMEM41B在DMV生成的不同步驟發揮關鍵作用,而PS累積可能是VMP1 敲除細胞中多種膜結構缺陷的重要原因。這些發現揭示了冠狀病毒復制過程中宿主因子協同病毒蛋白調控內膜系統重塑的分子機制。

      南方科技大學生命科學學院趙燕助理教授和中國科學院生物物理研究所鄧紅雨研究員為本論文通訊作者,中科院生物物理所博士后季明明、南方科技大學博士研究生李萌和中科院生物物理研究所博士研究生孫龍為并列第一作者。本研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院以及深港腦科學創新研究院等項目的支持。

      該項工作發表后,很快獲得《Autophagy》期刊主編Dr. Dan Klionsky的關注,并邀請作者就該工作為期刊專欄"Autophagic Puncta"撰寫評述。2022年7月28日,題為"DMV biogenesis during β-coronavirus infection requires autophagy proteins VMP1 and TMEM41B"的 Punctum發表。

      文章鏈接:

      https://rupress.org/jcb/article-abstract/221/6/e202112081/213207/VMP1-and-TMEM41B-are-essential-for-DMV-formation?redirectedFrom=fulltext

      https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15548627.2022.2103783

     

    (供稿:鄧紅雨研究組)

     

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