JVI | 囊泡病毒利用宿主细胞调控性死亡生产和释放囊泡

2023-01-08 08:01

近日，湖南农业大学植物保护学院生物防治与综合防控研究团队在《Journal of Virology》上发表了题为“An Ascovirus Utilizes Different Types of Host Larval Regulated Cell Death Mechanisms To Produce and Release Vesicles”的文章，阐述了在活体感染过程中囊泡病毒的囊泡及病毒粒子的形成与宿主细胞调控性死亡（regulated cell death，RCD）之间的关系。

病毒感染与宿主细胞的防御是一系列精妙的博弈过程。其中被了解最多的便是宿主细胞利用凋亡（调控性细胞死亡的一种）来阻断病毒的复制和传播，而病毒也可以利用自身编码的蛋白对宿主细胞的凋亡过程进行干预或阻断。囊泡病毒是一类大型环状DNA病毒，主要感染鳞翅目幼虫，其细胞水平的致病过程一直被认为是一种类似细胞凋亡的过程。这一假说提出来后，广泛受到囊泡病毒学家们的推崇，而囊泡病毒的名称也是因此而来，囊泡病毒因此也被认为是一类利用宿主细胞凋亡的“反常”的DNA病毒。但这一假说明显存在不少的不合理性，且缺乏典型的图片证据。

该研究团队以我国分离的本土囊泡病毒毒株——烟芽夜蛾囊泡病毒3h株（Heliothis virescens ascovirus 3h, HvAV-3h）为研究对象，将其接种至3龄甜菜夜蛾幼虫或3龄棉铃虫幼虫的血腔内，并在接种后不同时间剖取宿主幼虫的不同组织进行透射电镜的制样和观察。甜菜夜蛾是HvAV-3h的天然分离宿主，感染后的甜菜夜蛾试虫整个幼虫期能被延长至15天左右（是健康幼虫的3-4倍）；棉铃虫幼虫在感染HvAV-3h后幼虫期可被延长至35天左右（是健康幼虫的6-8倍）。这种巨大的差异提示着同时对两种试虫进行观察研究，将有利于找出共同点（囊泡病毒感染的共性）以及相互补足人为取样时间点的差异所导致的信息缺失（相互辅助共同描绘病毒感染的完整过程）。对宿主幼虫脂肪体组织的观察结果显示，在囊泡病毒感染后24 h，几乎不可见病毒粒子，但脂肪体内原本完整的大脂滴被分割成无数个小脂滴（如下图B1所示），且原本集中分布在细胞膜附近的“致密物质”（下图A1所示）在感染后24小时几乎被均匀的分布到了整个细胞中（下图B1）。随后，在脂滴附近逐渐检测到病毒粒子。有趣的是，随后在脂滴内别检测到的病毒粒子越来越多，小脂滴又逐渐融合成含有多个病毒粒子的大脂滴。

在感染后96 h，我们发现甜菜夜蛾的脂肪体细胞依旧具有完整的细胞核，但细胞质中形成了明显的空腔（如下图A1、A2所示），而此时棉铃虫的脂肪体细胞相对完整，但可看见明显的在细胞质中形成的与整个细胞质有明显间隙的“单元小区”，每个“小区”中都包含着融合后含有病毒粒子的脂滴（如下图B1、B2所示）。结合所有的电镜图片，我们推断囊泡病毒感染宿主细胞脂肪体的过程大致分为4个步骤：I宿主细胞质的均质化，细胞中原本的大脂肪液滴会被分割成无数个小液滴，其他的细胞器（包括线粒体）等几乎均匀分布于整个细胞质中；II宿主细胞质的重区域化，细胞质被重新划分成若干个部分，每个部分均有典型的病毒发生基质形成，病毒粒子开始合成并被运输到邻近的小脂肪液滴中；III初级囊泡的形成，随着脂肪液滴中病毒粒子的增多，小液滴被撑大，相邻的小液滴重新融合形成含有大量病毒粒子的大脂肪液滴——即囊泡病毒的初级囊泡，同时病毒发生基质中的能量物质开始供给不足，逐渐从细胞质中脱离，形成空腔；IV囊泡的成熟与释放，初级囊泡继续成熟，携带部分病毒发生基质一起从细胞质中脱落，最后进一步褪去没有“营养价值”的病毒发生基质，形成成熟的囊泡（如下图C所示）。

进一步对感染后不同时期宿主幼虫的血细胞进行了观察。根据血细胞的形态特征，我们将观察到的血细胞分为了5类：原血细胞、浆血细胞、粒血细胞、脂血细胞、珠血细胞。在感染后48 h，仅脂血细胞中能检测到病毒粒子，而此刻脂血细胞细胞和龟裂，几乎无完整的细胞器，唯独含有大量的完整的线粒体（如下图所示）。从感染后72 h开始，浆血细胞、和珠血细胞中逐渐被发现有病毒粒子的出现，而脂血细胞的细胞核几乎完全瓦解，整个细胞质中含有大量的单粒病毒粒子。脂血细胞的感染特征更符合细胞坏死或细胞焦亡的特征，几乎不具备细胞凋亡的特征。

由此我们基本明确了囊泡病毒的感染模式（如下图所示）：囊泡病毒进入宿主幼虫的血腔后，利用浆血细胞或脂血细胞的吞噬作用进入血细胞内；脂血细胞在感染囊泡病毒后，会启动类似细胞焦亡或细胞坏死的RCD，快速的将未包装成大囊泡的含有病毒粒子的小液滴释放到血腔中，开启囊泡病毒的初步的快速扩繁；这些被释放到血腔中的囊泡病毒小液滴在血腔中循环并进入更多的血细胞或脂肪体组织，开启常规的感染模式——抑制宿主细胞RCD的大囊泡产生模式；这样循环往复，直到宿主幼虫的血腔被大量的含有囊泡的血细胞、来源于珠血细胞的含有囊泡的包涵体碎片、以及不成熟的初级囊泡等结构填满。

综合以上结果，我们对囊泡病毒在宿主体内系统性的感染进行了推测，明确了在病毒感染的早期，利用血细胞的焦亡或坏死快速释放病毒粒子，达到病毒系统性感染所需的基数，随后再利用脂肪体细胞大量的合成囊泡。而后期的感染过程更类似一个被抑制的凋亡过程。这种在不同感染时期具有明显不同RCD类型的感染特征，为后续了解病毒与宿主互作提供了新视野。

青年教师于欢副教授为论文第一作者，黄国华教授为通讯作者，博士研究生黎妮、硕士研究生肖华燕和杨长锦参与了部分工作。该研究得到国家自然科学基金（32070168）和国家大宗蔬菜产业技术体系（CARS-23-C08）等的资助。

来源：病毒学界

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