胡帆;雷荣;廖晓兰
【摘 要】植物病毒在寄主体内的移动包括细胞间转运和系统性转运两个部分.在这两个过程中,如何有效地利用和修饰胞间连丝,是病毒成功侵染的关键.病毒通过编码运动蛋白与寄主因子互作靶定于细胞质膜,然后通过一系列复杂机制修饰胞间连丝从而顺利完成细胞间转运.综述了植物病毒在细胞间转运过程中与寄主发生的一系列互作,着重阐述了病毒与胞间连丝之间互作的机制,旨在为相关研究工作提供参考. 【期刊名称】《生物学杂志》
【年(卷),期】2013(030)006旋转密封件
【总页数】97ssee5页(P81-85)
【关键词】胞间连丝;植物病毒;细胞间转运
【作 者】胡帆;雷荣;廖晓兰
【作者单位】湖南农业大学植物保护学院,长沙,410128;中国检验检疫科学研究院,北京,100029;湖南农业大学植物保护学院,长沙,410128
【正文语种】中 文
【中图分类】Q939.46
植物病毒通过细胞外壁伤口或昆虫媒介进入寄主细胞后，在最初的侵染细胞中大量复制，并通过一系列的机制在寄主体内移动，从而侵染整个寄主。植物病毒在寄主体内的移动包括两个过程，即被感染的细胞到附近细胞的短距离转运和系统性的长距离移动。在短距离细胞间的转运中，不同种类的病毒有不同的方法，但是有两点是必须的:一是所有病毒都必须同寄主因子相结合;二是它们都必须通过胞间连丝(Plasmodesmata，PD)［1］。但PD的通道对于病毒(通常直径约为20～200 nm)来说太小了，所以病毒会编码一种运动蛋白(Movement Protein，MP)来扩大PD的通道，从而顺利转运［1－5］。而病毒如何从完成装配的复制场所转移至细胞外围靶定并顺利通过PD是近些年来研究的热点问题。真核细胞的细胞质中只允许500 kDa以下的分子自由扩散［6］。而病毒核酸及病毒粒子的大小已经远远大于这个限制，所以病毒需要利用寄主因子来完成胞内运动［7］。考虑到病毒通常在 内质网上进行复制，且内质网本身也承担着细胞内物质运输的功能，所以内质网往往被认为是涉及病毒细胞内转运最主要的寄主因子［1］。此外，细胞骨架也发挥了一定的作用［8］。
1 运动蛋白(Movement Protein，MP)与外壳蛋白(Coat Protein，CP)
MP通常被定义为，能够提高PD允许通过的最大分子量上限(Size Exclusion Limit，SEL)且能在细胞间移动的一种非结构性的蛋白质［9－11］。此外，有些 MP还具有抑制寄主沉默机制的功能［12，13］。
绝大多数病毒所产生的MP并不会引起PD通道结构性的改变，而是通过激活某种主动运输的细胞途径来达到目的。但有些病毒会破坏PD的内部结构并生成运输微管，而这种改变是不可逆的［5］。而许多病毒在传输中还需要其外壳蛋白(Coat Protein，CP)的参与。Scholthof［4］根据病毒在细胞间的转运中是否需要CP将病毒分为3类。第一类病毒在细胞间转运中不需要CP参与。如烟草花叶病毒(Tobacco Mosaic Virus，TMV)，TMV编码一种约30 kDa的MP进行细胞间转运。第二类病毒在细胞间移动中需要CP参与。如黄瓜花叶病毒(Cucumber Mosaic Virus，CMV)，CMV所编码的MP与TMV的MP在生化性质上有很
压铸机料筒的设计大的相似性，但不同的是，CMV在细胞间转运时需要CP参与。但也有实验证明，删除MP的羧基端可以使得CMV在细胞间转运中不再需要CP的参与［14］。这说明，CMV CP并未直接作用于转运，而是有另外的作用［10］。第三类病毒同样需要CP参与细胞间转运，但与第二类病毒不同的是，它们通常都是以整个病毒粒子的形式进行传输，如豇豆花叶病毒(Cowpea Mosaic Virus)通过编码MP来引导形成穿过PD的小管(tubule)，病毒粒子就可以通过小管移动到邻近细胞中［15］。另外，一些长线形病毒编码两种 CP，CP 和CPm。CP用来保护病毒RNA，CPm同一种热休克蛋白Hsp 70绑定产生动力，CPm和热休克蛋白通过沉积在PD通道内来使之扩大。这样，即使不形成小管病毒也能通过 PD［16］。
转运中是否需要CP参与很大程度上由MP与病毒RNA结合的紧密程度来决定。如TMV MP能与RNA很紧密地结合就不需要CP参与转运。反之CMV MP与RNA结合力度不够则需要CP参与［17］。这说明在细胞间转运的某些阶段，病毒RNA需要被壳体所包裹［10］。
值得一提的是，有些RNA病毒需要编码多个专门的MP来完成转运。包括以香石竹斑驳病毒组(carmoviruses)为代表的双基因连锁(double gene block，DGB)和以大麦病毒属(hordeiviruses)和马铃薯X病毒(Potato virus X，PVX)为代表的三基因连锁(triple gene bloc
k，TGB)［3］。TGB 即病毒所编码的三个运动相关蛋白，根据它们基因的位置不同分别命名为TGBp1，TGBp2，TGBp3［18］。TGBp1 类似 TMV MP，可以与病毒RNA非特异性结合，不同的是，TGBp1是可溶性蛋白且不与内质网结合［18］。而TGBp2和TGBp3是典型内质网膜相关蛋白，在病毒胞内转运中可协助包含TGBp1的运动复合体通过内质网途径靶定于PD并穿过PD，完成这一过程后，TGBp2和TGBp3会通过细胞质膜重新回到内质网［12］。但是在转运过程中大麦病毒属不需要CP参与而PVX需要［2］。
2 靶定于PD的胞内转运(intracellular targeting to PD)
内质网(Endoplasmic Reticulum，ER)是内膜系统的核心部分，具有蛋白质合成功能，承担着细胞内物质运输的任务。很多RNA病毒会通过侵染ER来形成内含体，这种内含体是病毒的复制中心和蛋白合成中心。病毒在内含体中完成复制并装配成运动复合体(Movement Complexes，MC)，MC包含:病毒RNA的复合物，MP，寄主蛋白等［19］。如绿荧光蛋白(Green Florescent Protein，GFP)与甜菜黄化症纺锤病毒(Beet Yellows Closterovirus)［20］ 以 及 苜 蓿 花 叶 病 毒 (Alfalfa mosaic virus)MP融合的标记就出现在ER上。ER以连丝微管的形式穿过PD，与肌动蛋白微丝骨架密切缠绕在一起。所以，MC从复制中心转
运到PD最直接最有效的方法就是随着ER膜运动［1］。附着在ER上的MC通过与肌球蛋白马达(myosin motor)互作来实现从ER传输到PD这一过程。如番茄斑萎病毒所编码的MP就会同一种肌球蛋白以及驱动蛋白(kinesin)的同源蛋白At-4/1互作来靶定于PD。此外，MC也有可能只是简单的与ER膜蛋白结合，随着肌动蛋白与肌球蛋白的动力系统而传输。而前文提到的可形成小管的第3类病毒，虽然它们同样在ER膜上的内含体完成复制，但是由于在小管形成时会破坏PD的微管(Desmotubule)结构，这样就切断了ER与PD之间的通道，所以此类病毒无法通过ER转运至PD。它们有可能利用高尔基体衍生的小泡，通过微管或微丝途径抵达PD，如葡萄扇叶病毒(Grapevine Fan Leaf Virus)。也有可能受到内质网－高尔基体分泌途径的影响，如豇豆花叶病毒。而CMV MP有时也可以通过分泌途径来靶定于PD。
细胞骨架是真核细胞中的蛋白纤维网络结构，由微丝、微管和中间纤维组成。植物细胞内的细胞骨架不仅在维持细胞形态，保护细胞内部结构上发挥着主要作用，还参与物质运输与信号传导。细胞骨架的植物病毒细胞间转运中的作用一直存在很大的争议。很多实验证明，微管在细胞转运中发挥着双重作用。侵染前期正向引导MC靶定于PD［21，22］，后期则诱导MP降解［23，24］。但有实验表明，微管和肌动蛋白/肌球蛋白网络在TMV MP
转运中没有起决定性作用。使用拉春库林(latrunculin)或细胞松弛素(cytochalasin)破坏肌动蛋白细胞骨架并不会［25，26］或只是轻微［27］抑制 MP靶定于PD。而使用秋水仙碱(colchicine)或是氨磺乐灵(oryzalin)处理微管同样没有显著抑制效果［26，27］。但是，甜菜黄化病毒(Beet yellows virus)参与转运的病毒粒子中包含一种热休克蛋白同源物Hsp70 h，这种同源物在靶定PD的过程中同肌球蛋白系统相关联，所以BYT在胞内转运中需要完整的肌动蛋白细胞骨架［25］。Hofmann 等［28］认为在抑制剂破坏细胞骨架结构的初期，TMV的胞内转运并不会受到太大影响。但长时间的抑制细胞骨架，病毒在细胞间转运的效率将会大打折扣［29］。
有趣的是，病毒为了减弱对寄主的损害，或者说是为了自身更好的复制与传播，往往会将MP活性控制在一定的范围内。如TMV MP仅仅在侵染初期合成，在后期却被26S蛋白酶体降解［23］。通常，MP磷酸化是比较常见的控制MP活性的方法。一种隶属于酪蛋白激酶I的34 kDa蛋白能磷酸化TMV MP羧端，从而使得MP失去改造PD的能力。并且，MP磷酸化还能使得病毒RNA复合物更加稳定的完成细胞间转运。这也是病毒RNA复合物细胞转运过程中从细胞内传输到细胞间转运的标志性的变化。而最近的研究结果表明，大多数MP在还未抵达PD时就已经磷酸化了［30］。除TMV之外，还有一些病毒MP也会被磷酸化［31，
32］。此外，通过内吞作用机制移除PD上的MP也可以有效控制MP活性［33］。
3 通过PD的细胞间运动(translocation through PD)
当MC转运至细胞外围时，同受体蛋白结合，通过质膜靶定于PD，然后穿越PD到达邻近细胞。这个过程主要包含两个关键部分，第一是病毒如何扩大PD SEL;第二是如何穿越PD。毫无疑问，对于小管形成病毒和非小管形成病毒来说，如何扩大PD SEL有很明显的差异。小管形成病毒会破坏整个PD结构，在PD里形成独特的小管来取代连丝微管［34］。而非小管形成病毒几乎不改变PD结构，如TMV仅在PD内腔里形成一些纤维状的子结构。
jumper2PDLP(PD-located protein)是近年发现的能够协助小管形成病毒扩大PD的重要膜蛋白，在病毒转运中扮演着MP受体的角，并协助MP形成小管。PDLP通过分泌途径抵达PD［35］，与葡萄扇叶病毒(GFLV)编码的MP互作，诱导小管形成。Amari等利用一种能显著抑制分泌途径的GTP酶处理叶片发现，GFP与PDLP融合标记显示PDLP全部累积在ER上，而 GFP与GFLV MP融合标记则在细胞质中聚集。这说明PDLP无法通过其余途径抵达PD，而GFLV MP不通过分泌途径转运并且无法在缺少PDLP的情况下靶定于PD。在三重pdlp1/2/3突变体中，GFLV和花椰菜花叶病毒(cauliflower mosaic virus，CaMV)短距离转
运和长距离运输都受到了显著抑制，证明了PDLP在此类病毒传播中的重要作用。此外，实验结果表明，TMV MP无法同PDLP互作，这也说明了PDLP与小管形成病毒MP互作的特异性。
非小管形成病毒通过什么样的机制来扩大PD SEL还不是十分明确。有学者认为，非小管形成病毒的MP和一些非细胞自主因子能够引起细胞局部钙离子浓度改变从而影响PD SEL。而最近的研究结果显示，微丝的解聚是病毒MP扩大PD SEL重要机制。相较于在病毒胞内转运中只发挥引导作用不同，肌动蛋白微丝在病毒通过PD这个阶段中发挥了更重要的作用。经过鬼笔环肽(phalloidin，一种F肌动蛋白稳定剂)处理细胞后，CMV MP与TMV MP提高PD SEL的能力受到了抑制。反之用latrunculin A(F肌动蛋白去稳定剂)处理则完全没有抑制效果。而体外实验表明，这两种病毒的MP都能切断肌动蛋白微丝。这说明，解聚肌动蛋白微丝是病毒提高PD渗透率从而顺利进入相邻细胞的关键机制。
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