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Cell:有性生殖與病毒之間存在新的關聯

Cell:有性生殖與病毒之間存在新的關聯

有性生殖與病毒感染事實上存在很多共同之處。根據一項新的研究,這兩種過程依賴於單個蛋白HAP2,這種蛋白能夠讓兩個細胞(如精細胞和卵細胞)無縫融合,或者讓一個病毒與細胞膜融合。蛋白HAP2在病毒、單細胞原生動物、很多植物和節肢動物中廣泛存在,這提示著這種蛋白是在地球上的生命歷史極早期發生進化的。相關研究結果發表在2017年2月23日的Cell期刊上,論文標題為「The Ancient Gamete Fusogen HAP2 Is a Eukaryotic Class II Fusion Protein」。

這一發現揭示出性進化的新細節。這種蛋白作為一種幾乎通用的生化「栓」能夠將兩個細胞膜變成一個細胞膜,從而導致遺傳物質結合在一起,這是有性生殖的一個必需的步驟。關於這種蛋白功能的新細節可能有助抵抗瘧疾等寄生蟲病,改善控制害蟲的努力。

論文共同通信作者、美國馬里蘭大學細胞生物學與分子遺傳學系的William Snell教授說,「我們的發現證實大自然具有有限的方式讓兩個細胞融合成一個細胞。」

Snell說,「一種首先讓性進化成為可能並且仍然在地球上很多有機體的有性生殖中使用的蛋白與登革熱病毒和寨卡病毒用來入侵人細胞的蛋白是相同的。」

Snell和他的同事們在一種被稱作萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的單細胞綠藻中研究了蛋白HAP2。HAP2在單細胞原生動物、植物和節肢動物中是比較常見的,不過它並未在真菌或人類等脊椎動物中發現到。Snell和他的合作者們以及其他研究團隊之前的研究結果表明在具有這種蛋白的有機體中,HAP2是它們的生殖細胞融合所必不可少的。但是它的精確機制仍然是不清楚的。

就當前的這項研究而言,Snell和他的團隊利用複雜的計算機分析工具對衣藻蛋白HAP2和已知的病毒融合蛋白的氨基酸序列進行比較。這些結果提示著它們存在顯著的相似性,特別是在一個被稱作融合環的區域中。這個融合環區域能夠讓病毒融合蛋白成功地侵入細胞中。Snell推斷,如果HAP2像一種病毒融合蛋白那樣發揮功能,那麼破壞它的融合環應當阻斷它將生殖細胞融合在一起的能力。

果然,當Snell團隊僅改變衣藻蛋白HAP2融合環上的單個氨基酸時,這種蛋白完全喪失了它的功能。生殖細胞能夠附著在一起,但是它們不能夠完成最後的一步:它們的細胞膜融合。類似地,當該團隊加入一種結合到HAP2融合環上的抗體時,這些生殖細胞也不能夠融合在一起。

Snell說,「我們對這些結果感到非常震驚,這是因為它們支持我們針對HAP2蛋白提出的新的功能模式。但是我們需要可視化觀察HAP2蛋白的結構,從而確信它與病毒融合蛋白具有類似的功能。」

Snell接觸了法國巴斯德研究所結構生物學家、病毒學研究專家Felix Rey。巧合的是,Rey和他的同事們剛利用X射線衍射晶體分析技術解析出衣藻蛋白HAP2的結構。Rey的結果證實確實,HAP2在功能上與登革熱病毒和寨卡病毒融合蛋白完全一樣。

Rey說,「衣藻蛋白HAP2以與這些病毒融合蛋白相同的方式發生摺疊。這種類似性是明確無誤的。」

在很多種有機體(包括致病性的原生動物、入侵植物和破壞性的害蟲)中,HAP2似乎是細胞融合所必需的。迄今為止,每個已知的HAP2蛋白版本在融合環區域共享一個關鍵性的氨基酸。正因此如此,HAP2可能是開發疫苗、療法和其他控制方法的一種有前景的靶標。

Snell對可能能夠控制瘧疾備感鼓舞。瘧疾是由單細胞原生動物惡性瘧原蟲導致的。

Snell注意到瘧原蟲具有複雜的依賴於蚊子和人類宿主的生命周期。Snell說,「開發一種阻斷瘧原蟲生殖細胞融合在一起的疫苗將會是向前邁出的一大步。我們的發現強烈地提示著靶向HAP2的新策略,這些策略可能能夠破壞瘧原蟲生命周期的蚊子傳播階段。」

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