许多原核病毒都是温和的，而且其再激活受到严密的调控。然而，除了少数几个模式噬菌体系统外，人们对温和病毒溶原退出的调控机制知之甚少，尤其是在古菌中。
2023年3月2日，武汉大学生命科学学院、病毒学国家重点实验室在Nucleic Acids Research 上在线发表题为“A virus-borne DNA damage signaling pathway controls the lysogeny-induction switch in a group of temperate pleolipoviruses”的研究论文，该研究报道了一个调控嗜盐古菌病毒SNJ2 ( Pleolipoviridae，多形性包膜病毒科 ) 溶原和复制周期转换的一个三基因模块，而且该模块在多形性包膜病毒科中普遍保守。SNJ2 编码的Orf4是Winged helix-turn-helix家族的DNA结合蛋白，通过抑制病毒整合酶基因intSNJ2的表达来维持SNJ2溶原性。为了转换到诱导状态，SNJ2需要另外两个蛋白Orf7和Orf8的参与。其中，Orf8是细胞Orc1/Cdc6 AAA+ ATPase蛋白家族的同源物，在细胞受到丝裂霉素C诱导的DNA损伤后被激活，可能通过翻译后修饰发挥作用。激活后的Orf8启动Orf7的表达，Orf7反过来拮抗Orf4的功能，解除Orf4对intSNJ2的转录抑制，从而使SNJ2转变为诱导状态。比较基因组学分析发现，类似于SNJ2这种以Orc1/Cdc6蛋白为中心的三基因模块普遍存在于嗜盐古菌基因组中，并与整合在宿主基因组上的原病毒共同出现。总之，该研究结果发现了首个由温和古菌病毒编码的DNA损伤感应信号通路，以及广泛分布的病毒编码的Orc1/Cdc6蛋白的意外作用。
温和病毒（Temperate viruses）可以经历溶原性或裂解性的生命周期。在溶原性生命周期中，病毒基因组通过整合到宿主染色体上与宿主被动复制或以染色体外游离DNA元件的形式存在，维持在休眠状态，称为前病毒。当病毒进入复制生命周期时，病毒复制活跃，子代病毒颗粒组装并从宿主细胞释放，在大多数情况下导致细胞裂解。前病毒区域广泛存在于细菌和古菌基因组中，在微生物生态和基因组进化中发挥重要作用。因此，了解温和病毒裂解-溶原转换背后的调控机制具有重要意义。
温和噬菌体溶原-裂解生命周期的调控机制已经被广泛研究。许多前噬菌体(细菌原病毒)利用宿主的SOS反应，从溶原状态转向裂解复制周期。研究最为深入的是大肠杆菌噬菌体lambda。lambda的激活受到许多病毒和宿主蛋白的调控。其中，与单链DNA ( ssDNA )结合的宿主Rec A蛋白和负责维持溶原性的前噬菌体主要抑制因子CI蛋白最为重要。当DNA损伤后，Rec A检测并结合积累的ss DNA区域并被激活( Rec A* )。Rec A*通过一种类似于激活SOS反应主调控因子Lex A自切割的方式刺激前噬菌体CI蛋白的自我剪切。CI阻遏子的失活导致lambda前病毒基因组从宿主染色体上切离、环化、进而进行基因组复制和病毒颗粒组装，最终导致宿主细胞的裂解，从而释放出子代病毒。
尽管在不同的古菌谱系中检测到许多温和病毒，但与噬菌体相比，这些古菌病毒的生命周期转变的调节机制在很大程度上仍然是未知的。迄今为止，溶原-裂解转换机制仅在超嗜热泉古菌病毒SSV1和嗜盐广古菌病毒SNJ1两种温和古菌病毒中得到研究。在SSV1中，病毒编码的转录调控因子F55与宿主RadA蛋白形成复合体，抑制病毒复制途径基因的表达。当紫外线诱导引起宿主DNA损伤时，RadA被招募到单链DNA区域，引起F55-RadA复合物的解离，F55从其靶DNA位点脱落，进而导致转录去抑制和病毒活跃复制。在SNJ1中，病毒编码的一个MazE抗毒素超家族蛋白Orf4作为主调控因子抑制病毒裂解途径基因。DNA损伤剂丝裂霉素C((MMC)处理导致SNJ1复制的重新激活，但其机制尚未被探索。
多形性包膜病毒科(Pleolipoviridae)包括感染嗜盐古菌的非裂解性包膜病毒，是嗜盐古菌的优势病毒类型之一。目前在病毒科内有Alpha-、Beta-和Gammapleolipovirus三个属。多形性病毒科不同属的病毒基因组包含一个保守的结构蛋白基因簇和一个可变的、编码不同功能的属特异性区域。尽管大多数分离的多形性包膜病毒不编码整合酶，但相关的原病毒在嗜盐古菌基因组中非常常见。SNJ2 (Betapleolipovirus属)是整合到Natrinema sp. J7甲硫氨酸tRNA基因中的一个典型温和多形性包膜病毒。
在MMC处理后，SNJ2被重新激活，病毒颗粒可能通过出芽的方式被释放出来而不裂解细胞。此前，陈向东教授团队已经发现SNJ2编码的整合酶IntSNJ2介导该病毒基因组的整合和切离，而且该整合酶代表了一个新的酪氨酸重组酶家族（Nucleic Acids Res, 2018, PMID: 29361162）。再次基础上，该研究探讨了SNJ2病毒的溶原/诱导开关调控机制，发现了一个由3个病毒基因组成的调控模块，其中包括一个编码Orc1/Cdc6 AAA + ATPase家族蛋白的基因（Orc1/Cdc6蛋白是宿主DNA复制体负责识别复制起始位点和解旋酶装载的关键组分），该基因编码的蛋白Orf8响应宿主DNA损伤并控制SNJ2从溶原状态到诱导状态的转换。进一步分析发现这个三基因调控模块在Betapleolipovirus属的原病毒中广泛保守，表明这些嗜盐古菌原病毒采用共同的策略来调控它们的生命周期。
小 结
该研究发现多形性包膜病毒介导的DNA损伤信号通路参与控制温和病毒溶原诱导开关，拓展了人们对病毒与宿主之间相互作用关系的认识。该工作得到国家自然科学基金面上项目和病毒学国家重点实验室自主研发课题基金的支持。生命科学学院博士研究生陈钊为该论文的第一作者，生命科学学院陈向东教授和杜世燊研究员为共同通讯作者。
参考信息：
https://doi.org/10.1093/nar/gkad125
