? ? ? ?今天介紹的病毒，是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的病毒——煙草花葉病毒(Tobacco Mosaic Virus/TMV)。

簡(jiǎn)介

? ? ? ?煙草花葉病毒（TMV）是煙草花葉病毒屬中的一種單鏈正義RNA病毒，可感染多種植物，尤其是煙草和茄科的其他成員。 感染會(huì)導(dǎo)致特征性的模式，例如“馬賽克”樣的斑點(diǎn)和葉子變色(因此得名)。TMV是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的病毒。 盡管從19世紀(jì)末開(kāi)始知道一種非細(xì)菌性傳染病正在破壞煙草作物，但是直到1930年，這種傳染病才被確定為病毒。 它是第一種被鑒定為病毒的病原體。

歷史

? ? ? ?1886年，阿道夫·梅耶（Adolf Mayer）首次描述了煙草花葉病，這種疾病可在植物之間傳播，類似于細(xì)菌感染。1892年，羅剎科學(xué)家德米特里·伊萬(wàn)諾夫斯基（Dmitri Ivanovsky）首次提供了非細(xì)菌性傳染原的具體證據(jù)，表明即使通過(guò)最好的Chamberland過(guò)濾器過(guò)濾后，被感染的汁液仍具有傳染性。后來(lái)，在1903年，伊萬(wàn)諾夫斯基發(fā)表了一篇論文，描述了受影響煙草植物宿主細(xì)胞中異常的晶體細(xì)胞內(nèi)包裹體，并提出了這些包裹體與傳染原之間的聯(lián)系。[4]然而，盡管屢屢未能提供證據(jù)，伊萬(wàn)諾夫斯基仍然堅(jiān)信該病原體是不可培養(yǎng)的細(xì)菌，其體積太小，無(wú)法保留在所用的Chamberland濾光片上，無(wú)法在光學(xué)顯微鏡下檢測(cè)到。 1898年，馬丁努斯·貝耶林克（Martinus Beijerinck）獨(dú)立復(fù)制了伊萬(wàn)諾夫斯基的過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，然后證明了這種傳染原能夠在煙草植物的宿主細(xì)胞中繁殖和繁殖。Beijerinck創(chuàng)造了“病毒”一詞，表示煙草花葉病的病原體具有非細(xì)菌性質(zhì)。煙草花葉病毒是第一個(gè)被結(jié)晶的病毒，它是由Wendell Meredith Stanley在1935年實(shí)現(xiàn)的，他還表明TMV甚至在結(jié)晶后仍保持活性。由于他的工作，他后來(lái)獲得了1946年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的1/4，盡管后來(lái)證明了他的一些結(jié)論（特別是純蛋白質(zhì)晶體，并通過(guò)自動(dòng)催化組裝而成?）是不正確的。TMV的第一張電子顯微鏡圖像是1939年由Gustav Kausche，Edgar Pfankuch和Helmut Ruska（諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Ernst Ruska的兄弟）制成的。1955年，Heinz Fraenkel-Conrat和Robley Williams表明純化的TMV RNA及其衣殼（外殼）蛋白自行組裝成功能性病毒，表明這是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)（自由能最低的結(jié)構(gòu)）。晶體學(xué)家羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）在斯坦利大學(xué)伯克利分校工作了大約一個(gè)月，后來(lái)為1958年在布魯塞爾舉行的世界博覽會(huì)設(shè)計(jì)并制造了TMV模型。 1958年，她推測(cè)該病毒是空心的，而不是實(shí)心的，并假設(shè)TMV的RNA是單鏈的。她去世后，她的假設(shè)被證明是正確的，現(xiàn)在被認(rèn)為是正義RNA鏈。煙草花葉病的調(diào)查以及其病毒性質(zhì)的隨后發(fā)現(xiàn)對(duì)病毒學(xué)一般概念的建立是有幫助的。

病毒結(jié)構(gòu)

?? ? ? ?煙草花葉病毒具有桿狀外觀。它的衣殼由2130分子衣殼蛋白和一分子基因組單鏈正義RNA組成，長(zhǎng)6400個(gè)堿基。外殼蛋白在RNA周圍自組裝成桿狀螺旋結(jié)構(gòu)（每螺旋圈16.3個(gè)蛋白質(zhì)），形成發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)單體由158個(gè)氨基酸組成，這些氨基酸被組裝成四個(gè)主要的α-螺旋，這些螺旋通過(guò)近于病毒體軸的突出環(huán)連接在一起。病毒粒子的長(zhǎng)度約為300nm，直徑約為18nm。負(fù)染色的電子顯微照片顯示出半徑為2nm的獨(dú)特內(nèi)部通道。 RNA位于4nm的半徑處，并被外殼蛋白保護(hù)免受細(xì)胞酶的作用?；?.6?(0.36納米)分辨率的電子密度圖，研究了完整病毒的X射線纖維衍射結(jié)構(gòu)。衣殼螺旋內(nèi)部的核心附近是卷曲的RNA分子，它由6395±10個(gè)核苷酸組成

病毒基因組

? ? ? TMV基因組由6.3–6.5 kb單鏈（ss）RNA組成。 3'末端具有類似tRNA的結(jié)構(gòu)，而5'末端則具有甲基化的核苷酸帽——m7G5’pppG?；蚪M編碼4個(gè)開(kāi)放閱讀框（ORF），其中兩個(gè)由于泄漏的UAG終止密碼子的核糖體通讀而產(chǎn)生單一蛋白質(zhì)。 這4個(gè)基因編碼一個(gè)復(fù)制酶（具有甲基轉(zhuǎn)移酶[MT]和RNA解旋酶[Hel]域）和RNA依賴性RNA聚合酶，所謂的運(yùn)動(dòng)蛋白（MP）和衣殼蛋白（CP）。

物理化學(xué)性質(zhì)

? ? ? TMV是熱穩(wěn)定病毒。 在干燥的葉子上，它可以承受高達(dá)50°C（120華氏度）的作用30分鐘。除此以外，TMV具有約1.57的折射率。

病毒生命周期

? ? ? ?雖然TMV沒(méi)有明顯的越冬結(jié)構(gòu)。但是，它會(huì)在受感染的煙梗和土壤中受污染種子表面的葉子中過(guò)冬（TMV甚至可以在受污染的煙草產(chǎn)品中生存多年，因此吸煙者可以通過(guò)觸摸意外地傳播它，盡管不在煙霧中傳播）。通過(guò)其載體與宿主植物直接接觸（通常是昆蟲，如蚜蟲和葉蟬），TMV將經(jīng)歷感染過(guò)程，然后是復(fù)制過(guò)程。

感染與傳播

? ? ? 倍增后，它通過(guò)胞漿線蟲進(jìn)入鄰近的細(xì)胞。感染通過(guò)直接接觸鄰近的細(xì)胞而擴(kuò)散。為了使其順利進(jìn)入，TMV產(chǎn)生了一種稱為P30的30kDa運(yùn)動(dòng)蛋白，該蛋白會(huì)擴(kuò)大胞瘤。TMV最有可能作為RNA，P30和復(fù)制蛋白的復(fù)合物在細(xì)胞之間移動(dòng)。

? ? ? ?它還可以通過(guò)韌皮部傳播，以在植物內(nèi)進(jìn)行更長(zhǎng)距離的移動(dòng)。而且，TMV可以通過(guò)直接接觸從一棵植物傳播到另一棵植物。盡管TMV沒(méi)有確定的傳播載體，但通過(guò)人為操作，病毒可以很容易地從受感染的宿主傳播到健康的植物。

復(fù)制

? ? ? ?通過(guò)機(jī)械接種進(jìn)入宿主后，TMV脫殼以釋放其病毒正義RNA鏈。當(dāng)發(fā)生脫膜時(shí)，MetHel—Pol基因被翻譯成加帽酶MetHel和RNA聚合酶。然后，病毒基因組將進(jìn)一步復(fù)制，并通過(guò)由正義?RNA 3'端的tRNAHIS引發(fā)的反義RNA中間體產(chǎn)生多個(gè)mRNA。產(chǎn)生的mRNA編碼幾種蛋白質(zhì)，包括外殼蛋白和RNA依賴性RNA聚合酶（RdRp），以及運(yùn)動(dòng)蛋白。因此，TMV可以復(fù)制自己的基因組。

? ? ? ?合成TMV的外殼蛋白和RNA基因組后，它們以高度組織化的過(guò)程自發(fā)組裝成完整的TMV病毒體。這些啟動(dòng)子聚在一起形成磁盤或“鎖緊墊圈”，該磁盤或“鎖緊墊圈”由以螺旋狀排列的兩層啟動(dòng)子組成。螺旋衣殼通過(guò)在桿的末端增加啟動(dòng)子而增長(zhǎng)。隨著桿的延長(zhǎng)，RNA通過(guò)其中心的通道并在生長(zhǎng)末端形成環(huán)。這樣，RNA可以很容易地以螺旋狀插入螺旋狀衣殼內(nèi)部。

宿主與植物病害

? ? ? ?像其他植物病毒一樣，TMV具有廣泛的宿主范圍，并且根據(jù)被感染的宿主而具有不同的作用。眾所周知，在北卡羅來(lái)納州，煙草花葉病毒會(huì)導(dǎo)致烤煙的生產(chǎn)損失高達(dá)2％。已知感染了9個(gè)植物科的成員，并感染了至少125個(gè)單獨(dú)的物種，包括煙草，番茄，胡椒（茄科的所有成員），黃瓜，許多觀賞花卉和包括菜豆和菜豆在內(nèi)的豆類，例如豇豆（Vigna unguiculata）。TMV有許多不同的菌株，該病毒病的第一個(gè)癥狀是嫩葉的靜脈之間呈淺綠色。隨后迅速在葉片中形成淺色和深綠色區(qū)域的“馬賽克”或斑駁圖案。在被感染的植物葉片上顯示出小的局部隨機(jī)皺紋的地方也可以看到金紅石質(zhì)。這些癥狀迅速發(fā)展，在較年輕的葉子上更為明顯。它的感染不會(huì)導(dǎo)致植物死亡，但是如果在季節(jié)的早期發(fā)生感染，則會(huì)使植物發(fā)育遲緩。下部葉片容易遭受“馬賽克燒傷”，特別是在炎熱干燥的天氣期間。在這些情況下，葉片上會(huì)形成較大的死區(qū)。這構(gòu)成了煙草花葉病毒感染的最具破壞性的階段之一。感染的葉子可能會(huì)卷曲，起皺或拉長(zhǎng)。但是，如果TMV感染了葡萄和蘋果等農(nóng)作物，則幾乎沒(méi)有癥狀。

環(huán)境抗性

? ? ? ?TMV被稱為最穩(wěn)定的病毒之一。 它的生存范圍很廣。 只要周圍溫度保持在大約40攝氏度以下，TMV就能維持其穩(wěn)定狀態(tài)。 它所需要的只是感染宿主。 如果有必要，由于可能的寄主的高人口密度和全年的恒定溫度，溫室和植物園將為TMV的傳播提供最有利的條件。

治療方式

? ? ? ?TMV的常見(jiàn)控制方法之一是衛(wèi)生，其中包括清除受感染的植物并在每次種植之間洗手。還應(yīng)采用輪作以避免至少兩年感染土壤或種子床。對(duì)于任何植物病害，也可能建議尋找抗TMV的抗性菌株。此外，可以采用交叉保護(hù)方法，其中通過(guò)用溫和的TMV株感染宿主植物來(lái)抑制更強(qiáng)的TMV感染株，類似于疫苗的作用。

? ? ? ?在過(guò)去的十年中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了在宿主植物基因組上進(jìn)行基因工程的應(yīng)用，以使宿主植物能夠在其細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生TMV外殼蛋白。據(jù)推測(cè)，TMV基因組進(jìn)入宿主細(xì)胞后將迅速重新包被，因此可防止TMV復(fù)制的啟動(dòng)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，保護(hù)宿主免受病毒基因組插入的機(jī)制是通過(guò)基因沉默。

? ? ? ?TMV被粘菌多頭絨泡菌(Physarum polycephalum)的產(chǎn)物抑制。煙草和菜豆(P. vulgaris)和豇豆(V. sinensis)在用多頭絨泡菌提取物處理后，在體外均未遭受TMV的損害。

科學(xué)影響力

? ? ? ?關(guān)于TMV的大量文獻(xiàn)及其在結(jié)構(gòu)生物學(xué)（包括X射線衍射），病毒組裝和拆卸等方面的許多開(kāi)創(chuàng)性研究中的選擇，基本上是由于可以獲得大量信息，以及以下事實(shí)： 它不會(huì)感染動(dòng)物。 在溫室中種植了幾百株受感染的煙草植物，然后經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室程序后，科學(xué)家可以產(chǎn)生幾克這種病毒。

? ? ? 詹姆斯·D·沃森（James D.Watson）在他的回憶錄《DNA雙螺旋》《The Double Helix》中引用了他對(duì)TMV螺旋結(jié)構(gòu)的X射線研究，作為推論DNA分子性質(zhì)的重要證據(jù)。

應(yīng)用

? ? ? ?植物病毒可以用來(lái)工程化病毒載體，這是分子生物學(xué)家通常用來(lái)將遺傳物質(zhì)傳遞到植物細(xì)胞中的工具。 它們也是生物材料和納米技術(shù)設(shè)備的來(lái)源?；赥MV的病毒載體包括magnICON?和TRBO植物表達(dá)技術(shù)的載體。由于其圓柱形的形狀，高的長(zhǎng)寬比，自組裝的特性以及將金屬涂層（鎳和鈷）結(jié)合到其外殼中的能力，TMV是結(jié)合到電池電極中的理想選擇。將TMV添加到電池電極中，可將反應(yīng)表面積增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，與平面電極幾何形狀相比，可將電池容量增加多達(dá)六倍。