硫化叶菌病毒STSV2在感染过程中基因转录的时序调节研究

Transcription is the first step and primary regulatory determinant of viral gene expression. Viruses have evolved highly effective mechanisms to exploit their host for the expression of viral genes. Although progresses have been made on the structure elucidation of RNA polymerases from Sulfolobus, our understanding of gene expression regulation strategies utilized by viruses is still relatively limited. In this work, a Sulfolobus spindle-shaped virus STSV2 and its host Sulfolobus strain H5-2 isolated from Tengchong hot springs will be applied to study the temporal regulation of viral gene transcription and the relationship of this regulation with gene distribution and gene promoter structures in the genome of virus STSV2 by combined therotical analysis and several experimental techniques. Virus-encoded proteins that bind to RNA polymerase complex of the Sulfolobus strain H5-2 will be purified and identified, and the regulaiton of host RNA polymerase activity by the viral proteins and the effects of these proteins on the temperal transcription of viral genes during infection will be subsquently investigated. Based on these reslults, the relationship of temporal gene transcription of virus STSV2 with promoter structure and functional modification of host RNA polymerase specificity will be explored, and the mechanism of temporal regulation of STSV2 gene transcription will also be further elucidated. This study will contribute to uncover the basal regulaiton processes of viral gene expression in Sulfolobus and provide a basis for further research of the interaction, origin, evolution and diveristy of archaea and their viruses.

转录是病毒基因表达的第一步，也是基因表达调节的主要步骤。在进化过程中病毒形成非常有效的调节机制来利用宿主系统，获得病毒基因的表达。尽管对硫化叶菌RNA聚合酶结构的研究已经取得进展，但目前还不清楚感染过程中硫化叶菌病毒基因转录的调节机制。本项目以一株硫化叶菌H5-2及其病毒STSV2作为研究对象，结合理论分析和多种实验方法，分析感染过程中STSV2基因转录的时序变化以及这种变化与基因分布和启动子结构的关系。进一步分离硫化叶菌RNA聚合酶蛋白复合物中病毒编码蛋白，研究感染过程中这些蛋白对宿主RNA聚合酶特异性调节和对病毒和宿主基因时序转录的影响，阐明STSV2基因时序表达与启动子结构和宿主RNA聚合酶特异性调节的关系，揭示感染过程中STSV2病毒基因时序转录的调节机制。项目研究也将有助于揭示硫化叶菌病毒在宿主细胞中基因表达的相关调节过程，对研究古生菌与病毒的关系、起源、进化和多样性提供参考。

研究表明硫化叶菌病毒的大小和基因组结构呈现出多样性的特点，因此其基因转录的调节机制可能具有多样性特点，但是目前关于硫化叶菌病毒在感染过程中病毒基因的时序转录及其调控机制的研究鲜有报道。. 分析表明STSV2是一种单尾纺锤形病毒，在感染过程中其不会裂解硫化叶菌H5-2，但会引起宿主细胞的生长延迟。STSV2为双链DNA病毒，基因组大小为76107bp，含有75个潜在的ORFs，包括潜在的早期、中期和晚期基因，但没有RNA聚合酶编码基因。基因时序转录分析表明，除了部分ORFs外，大多ORFs没有表现出类似于裂解性噬菌体基因时序转录的特点，反而呈组成型表达。进一步分析表明，STSV2的ORFs呈双向分布，有些相同时序表达基因也是如此，有些还聚集成原核生物操纵子分布的特点。启动子结构和功能分析也表明有的相同时序表达基因的启动子序列结构和活性也有所不同，有的启动子序列中还具有原核生物典型的SD序列。这些结果再次表明了大多病毒STSV2的ORF无时序转录特点，而且还表明该病毒基因同时具有真核和原核表达特点。. 蛋白复合物研究表明，STSV2感染后宿主硫化叶菌H5-2的RNA聚合酶复合物中具有9个病毒蛋白成分。这些蛋白的进一步功能分析结果表明，ORF2单独能上调一些宿主基因的转录水平，这与STSV2感染引起的宿主基因转录上调并引起宿主细胞生长延迟相似。过表达ORF2基因能显著提高病毒基因的转录水平，促进更多病毒颗粒的产生。Co-IP实验还证明ORF2蛋白与宿主RNA聚合酶复合物发生相互作用。然而，其他病毒蛋白单独没有类似调节作用。推测STSV2感染宿主后可能首先通过启动子活性竞争性起始包括ORF2等基因的转录和表达，这些蛋白可通过结合宿主RNA聚合酶复合物，调节后者转录活性引起宿主和病毒基因转录上调，使宿主细胞生长延迟，促进病毒颗粒的产生。此外，研究还发现噬菌体TSP4的DNA解旋酶能促进感染过程中STSV2基因的转录，而且该噬菌体基因具有特殊的非通读转录机制。. 本研究初步阐明了病毒STSV2基因时序转录特点与基因分布、启动子结构和宿主RNA聚合酶活性调节的关系，初步揭示感染过程中STSV2病毒基因转录的调节机制。研究结果也将有助于揭示硫化叶菌病毒在宿主细胞中基因表达的相关调节过程，对研究古生菌与病毒的起源、相互作用和进化提供参考。