桑巴（Samba）病毒感染细胞的过程示意图。 （图片来源：冷冻电镜设备）
近年来，巨型病毒在世界上几个最神秘的地方被发现——从西伯利亚解冻的永久冻土到南极冰层下的未知位置。不过别担心，电影《怪形》(The Thing) 依旧只是科幻作品，至少暂时是这样。
在一项最新的研究中，密歇根州立大学（Michigan State University, MSU）的科学家团队解析了这些神秘而迷人的巨型微生物以及它们感染细胞的关键过程。在尖端成像技术的帮助下，这项研究提出一个研究巨型病毒的可靠模型，并首次鉴定出几种调控感染过程的关键蛋白。
巨型病毒是指直径大于300纳米并能存活数千年的一类病毒。相比之下，引起普通感冒的鼻病毒（rhinovirus）仅约30纳米。
MSU生物化学与分子生物学系副教授、首席研究员Kristin Parent说：“巨型病毒体型庞大且十分复杂，这种最近在西伯利亚被发现的巨型病毒在永久冻土中沉睡30,000年后，仍然具有感染能力。”
病毒的外壳——或称衣壳崎岖不平，能抵御恶劣的环境，保护其内部的病毒基因组。本研究分析的几种病毒——拟菌病毒（mimivirus）、南极病毒（Antarctica virus）、桑巴病毒（Samba virus）和最新发现的图邦病毒（Tupanviruses）的衣壳蛋白均为二十面体，形似一个二十面骰子。
这些病毒通过独特的机制来释放其病毒基因组。一个海星状的封口（starfish-shaped seal）处于外壳的某个顶点上，这种特殊的顶点结构被称为“星门”（stargate）。在病毒感染过程中，海星状封口及星门打开，释放出病毒的基因组。
在研究过程中，需要解决几个障碍。Parent说：“由于巨型病毒的大小，难以对其成像，以前的研究依赖于找到正处于感染状态的‘百万分之一’病毒。”
为了解决这一问题，Parent的博士生Jason Schrad开发出一种模拟感染不同阶段的新方法。利用大学的新型低温电子成像（Cryo-Electron Microscopy, Cryo-EM，冷冻电镜）显微镜和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM，扫描电镜），课题组使不同种类病毒接受一系列苛刻的化学及环境处理，以模拟病毒在侵染的过程中可能经历的条件。Parent说：“冷冻电镜使我们能在原子级别研究病毒和蛋白质结构，并捕捉它们的行为。这项技术对研究至关重要，MSU的这台新显微镜为校内的研究打开了新的大门。”
研究结果揭示了三种能成功诱导星门开启的环境条件：低pH、高温和高盐。不仅如此，每种条件能诱导出不同的感染阶段。
有了这些新数据，Parent课题组为这项研究设计出一种能有效并可靠地模拟感染不同阶段的模型。“这种新模型使科学家能可靠且高频地模拟出感染的不同阶段，为未来的研究打开了新世界的大门，并极大地简化了针对这种病毒的研究。”Parent说。
实验结果产生了多项新发现。Parent说：“我们发现星门上方的海星状封口会缓缓打开，同时仍依附在衣壳上，而不是简单地一次全打开。我们对新的巨型病毒基因组释放策略的描述，标志着我们对病毒学的理解又发生了一次范式转变。”
由于能够连续重现感染的各个阶段，研究人员研究了病毒在第一阶段释放的蛋白质。这些蛋白质像是工人一样，协调病毒感染并劫持细胞繁殖能力以复制自身的许多生物学过程。
Parent说：“这项研究的结果，有助于确定许多功能未知的蛋白质所扮演的推定或假定的角色，从而突显出这种新模型的强大能力，我们鉴定了在感染初期释放的关键蛋白质，这些蛋白质负责介导该过程并完成病毒的接收。”
至于未来的研究方向，Parent说：“许多这些蛋白质的确切功能和它们如何调控巨型病毒感染，是未来研究的主要候选课题。我们鉴定出的许多蛋白质，与预期在病毒感染初期释放的蛋白质相匹配。这极大地支持了我们的假设，即这项研究中的体外实验各阶段反映了体内感染的过程。”
所研究的多种巨型病毒在体外都有相似的反应过程，这使研究人员相信它们具有共同的特征，且可能含有相似的蛋白。
与冠状病毒不同，巨型病毒是否能够感染人类，是病毒学家之间不断发展的讨论话题。
作者：Adrian De Novato
翻译：胡舒昶
审校：巢栩嘉
引进来源：美国密歇根州立大学
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