难以研究的巨病毒现在有了新的观察工具——HVEM

尽管它们的名字叫巨型病毒，但很难详细地观察它们。它们对于传统的电子显微镜来说太大了，而对于用于研究更大样本的光学显微镜来说又太小了。现在，在超低温高压电子显微镜的帮助下，一项国际合作首次揭示了东京病毒的结构，这是一种巨大的病毒，以2016年发现它的城市命名。

他们在去年12月12日的《Scientific Reports》上发表了他们的研究结果。

“巨型病毒”是物理尺寸特别大的病毒，比小细菌大，基因组比其他病毒大得多，”共同通讯作者Kazuyoshi Murata说，他是日本国立自然科学研究院生命和生命系统探索研究中心(ExCELLS)和国家生理科学研究所的项目教授。“很少有研究详细揭示了大型二十面体或20面体病毒的衣壳——包裹双链病毒DNA的蛋白质外壳。它们的大小对高分辨率冷冻电子显微镜提出了特殊的挑战，这对数据采集施加了严格的限制。”

为了克服这一挑战，研究人员使用了世界上为数不多的用于生物标本成像的高压电子显微镜(HVEM)设备之一。这种类型的电子显微镜加速电压，理论上增加显微镜的功率，这允许更厚的样品以更高的分辨率成像。在大阪大学特高压电子显微镜研究中心，研究小组对瞬冻东京病毒粒子进行了成像，目标是首次完整地重建单个粒子。

Murata说:“以前没有报道过生物样本上的低温HVEM用于单颗粒分析。对于较厚的样本，例如东京病毒，其最大直径为250纳米，景深的影响会导致内部焦点转移，对可达到的分辨率施加硬性限制。加速电压，或缩短发射电子的波长，可以增加景深，改善厚样品中的光学条件。”

通过这些调整，研究人员对东京病毒进行了详细的成像，以阐明整个病毒颗粒的结构。他们以7.7埃的分辨率实现了3D重建，这一分辨率仅比该技术理论上可以达到的分辨率低一点。Murata说，解决方案的结果受到他们能收集到的数据量的限制。

“低温HVEM目前需要手动收集显微镜拍摄的显微照片，”Murata说。显微照片是用显微镜拍摄的照片。“我们从160张显微照片中鉴定出1182个颗粒，与其他用低功能显微镜成像的巨型病毒的报道相比，这是一个非常小的数字。”

根据Murata的说法，较低的放大倍率会增加每张显微照片中包含的粒子数量，但放大倍率必须足够高才能对粒子进行详细成像。虽然自动获取显微照片(通常用于标准冷冻电子显微镜)促进了在高倍放大下捕获的图像数量的显著增加，但手动模式允许研究人员在保持更高采样频率的同时，保持每个显微照片更好的粒子计数。

Murata说，即使样本有限，分辨率略低，研究人员也收集了足够的信息，比以往任何时候都更清楚地了解巨型病毒颗粒的结构。

Murata说:“冷冻HVEM图揭示了一个新的衣壳蛋白质网络，其中包括一个支架蛋白质成分网络。”他指出，这个支架网络在二十面体颗粒顶点之间的连接可能决定了颗粒的大小。“二十面体巨型病毒，包括东京病毒，有大而均匀的功能笼子，由有限的成分组成，以保护病毒基因组并感染宿主细胞。我们开始了解这是如何工作的，包括结构的高级功能，以及我们如何能够应用这种理解。”

Murata说，研究人员计划实施自动采集软件，能够保持他们所需的参数，以成像更多的巨型病毒结构，并发现共同的结构，以更好地了解如何将有限的结构用于多功能生物。

Akane Chihara, Raymond N. Burton-Smith, Naoko Kajimura, Kaoru Mitsuoka, Kenta Okamoto, Chihong Song, Kazuyoshi Murata. A novel capsid protein network allows the characteristic internal membrane structure of Marseilleviridae giant viruses. Scientific Reports, 2022; 12 (1)