病毒是如何在细胞内组装的？

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病毒是纳米级的实体，包含一个核酸基因组，包裹在称为衣壳的蛋白质外壳中，在某些情况下，还被脂质双层膜包围。这篇综述总结了支配衣壳在宿主细胞内和体外组装过程的物理学。我们描述了蛋白质亚单位组装成二十面体衣壳的热力学和动力学，以及在衣壳聚集在核酸或脂质双层上的情况下，这些是如何被修饰的。我们介绍了已用于表征衣壳组装的实验和理论技术，并重点介绍了在不久的将来可能受到重大关注的病毒组装方面。

病毒的形成是自然工程学的一项非凡壮举。大量(~60−，10000)蛋白质亚基和其他组分从拥挤的细胞环境中聚集，在生物相关的时间尺度上形成有序的、完整的、可重复的结构。病毒是导致很大一部分人类疾病以及其他动物、植物和细菌疾病的传染源。因此，了解它们的形成过程，目的是设计阻断它的抗病毒疗法，或者重新设计病毒作为靶向递送载体，这是生物医学上感兴趣的事情。更广泛地说，将基本单元组装成尺寸和复杂性增加的结构在生物学中普遍存在，并在纳米科学中发挥着越来越重要的作用。了解病毒组件共同组装的机制可能会阐明不同类别的组装反应。

病毒在大小和复杂性上差异很大，从16 nm卫星Panicum Mosaic病毒(826bp基因组编码单一蛋白)到μm大小的熊猫病毒(2.5兆碱基基因组比一些细菌基因组大，编码2556个推定蛋白())不等。然而，病毒共享一个共同的身体计划，由基因组组成，基因组可以是单链(Ss)或双链(Ds)，也可以是RNA或DNA，周围有一个保护性容器，通常是一个称为衣壳的蛋白质外壳。对于“包膜”病毒(如HIV或流感)，衣壳额外被从宿主细胞获得的脂质双层包围。感染性病毒粒子的形成需要衣壳的组装，被膜(如果有包膜)的包裹，并在里面包装核酸(NA)基因组。1955年，Fraenkel-Conrat和Williams在烟草花叶病毒RNA和衣壳蛋白体外自发组装成有感染性的病毒粒子的实验证明，许多具有单链基因组的病毒会自发地聚集在它们的NA周围。相反，dsDNA或dsRNA的刚性和高电荷密度排除了自发包裹的可能性(除非基因组首先与NA-折叠蛋白复合)。因此，许多dsDNA病毒组装一个空的蛋白衣壳(Proapsid)和一个水解ATP的分子马达，将DNA泵入衣壳。

这篇综述集中在病毒组装的物理学上-蛋白质和其他病毒或非病毒成分之间的相互作用如何决定它们的组装途径和产物。虽然我们关注的是病毒，但这些途径的许多方面和控制它们的因素对于其他生物或合成的自组装反应是通用的。我们首先简要概述病毒的结构，然后总结用于表征组装过程的实验和理论方法。接下来，我们描述与蛋白质组装成空衣壳相关的热力学、动力学和潜在机制(第2节)。然后，我们考虑当蛋白质聚集在NAS周围(第3节)或脂质双层膜上(第4节)时，这一过程是如何改变的。然后，我们简要讨论调节组装机制的小分子如何形成一类有前途的新型抗病毒药物(第5节)。在后三个部分中，我们集中于最近的结果，这些结果没有在以前关于衣壳组装(，)的综述中涉及到。最后，我们讨论了尚待解决的问题和未来可能的研究方向。

病毒基因组的长度，以及它可以编码的独特蛋白质的数量，都受到它被衣壳包裹的要求的限制。因此，大多数衣壳由一个或几个高度对称排列的蛋白质序列组成。大多数病毒可分为杆状和球形，杆状病毒的衣壳蛋白在核酸周围呈螺旋对称排列，大多数球形病毒的衣壳呈二十面体对称排列。螺旋中的单位数是任意的，因此螺旋衣壳可以容纳任何长度的核酸。相比之下，二十面体衣壳

Zlotnick和他的同事(，，)发展了一种用中间体浓度随时间演变的速率方程系统来描述衣壳组装动力学的方法。他们的方程式与经典的Becker-Döring速率方程式相似，不同之处在于衣壳以有限大小终止于正在结晶的系统(29)中的团簇浓度。假设每个中间尺寸都有一个或几个结构，这些方程就变得易于处理。还开发了装配动力学的连续体级描述(进一步简化)(、)。可以通过枚举路径()来放宽每个中间尺寸一个结构的假设，或者在替代方法(-)中，使用BKL或Gillesbie算法(38，39)随机采样与主方程一致的路径。

上一段描述的方法必须预先假定状态空间(即部分衣壳中间体的可能结构)。可以通过使用分子动力学、布朗动力学或其他运动方程执行显式跟踪亚单位位置和取向的动力学的模拟来放宽这一限制。几个小组已经开发了粗粒度的亚基模型，其中排除了体积几何和方向相关的吸引，设计成最低能量结构是具有二十面体对称的壳(例如(-))。最近的一种方法使用基于粒子的模拟来系统地导出马尔可夫状态模型，然后可以使用上一段()中的方法对其进行模拟。

我们从分析空壳的形成过程开始。虽然这一过程与在组装过程中首先形成空前衣壳的病毒最相关，但它也为理解与核酸、脂膜或支架蛋白的共组装提供了一个有用的起点。虽然我们关注的是二十面体衣壳，但我们注意到许多病毒都有非二十面体衣壳，一些二十面体病毒的衣壳蛋白可以形成其他结构，包括片状、管状和多层壳，这取决于溶液条件()。

我们考虑由相同的蛋白质亚单位组成的系统的热力学，这些蛋白质亚单位可以组装成T=1的空衣壳。为了简化表述，我们假设每一个亚基数目n都有一个主要的中间物种，在固定的总亚基浓度cT=∑n=1 N n cn的约束下，最小化总自由能，得到每个物种的平衡浓度cn(，，54，)的质量作用量定律：

用v0表示标准态体积，k，B，T表示热能。Zlotnick提出了一类相互作用自由能与亚基-亚基接触数成正比的模型：Gncap=gbCn-TSn，其中Cn为中间体中的亚基-亚基接触数，gb为亚基-亚基结合自由能，Sn为对称因子(，)。

在大多数平衡条件下，几乎所有的亚基都以完全衣壳或游离亚单位(，)的形式存在。这一预测实际上来自于用于组装有限尺寸结构(例如衣壳或胶束)的任何模型，其中对于一个结构(n=N)，相互作用自由能Gn帽是最小的，并且总亚单位浓度是守恒的(54)。在此条件下，方程为：(1)可以通过忽略除游离亚单位或完全衣壳之外的所有中间体来简化，使得cT=c1+nCN，其中N是完全衣壳中的亚基数目(即两态近似)。然后，在极限N≫1中，衣壳中的亚基分数fc=nC N/cT由(，)给出。

f c≈(c T c∗)N≪1 for c T≪c∗≈1-c∗c T for c T≫c∗。

‘伪临界’亚基浓度c∗≈v 0-1exp(G N帽/N k B T)，低于该值则没有组装。

Zlotnick和他的同事已经证明，HBV()的组装可以被Eq捕获。(2)使用亚基-亚基结合自由能gb作为拟合参数。他们的数据表明，生产性组装需要弱结合自由能，其数量级为gb=4kcal/mol(6.7kBT)。由于第2.4节讨论的原因，弱相互作用的要求似乎相当普遍(另见参考文献)。(本期)。

情商。(1)反映了这样一个事实，即有序衣壳的形成降低了其组成亚基的翻译熵，因此必须由克服这一惩罚的有利相互作用驱动。这些相互作用(和子单位转动熵的变化)由因子G帽描述。在许多情况下，组装主要由疏水相互作用驱动，受到静电(，)的衰减，静电(，)具有静电、范德瓦尔斯和氢键相互作用施加的方向性。这些相互作用在组装条件下是短程的，尺度从几埃(范德华相互作用和氢键)到疏水相互作用的0.5-1 nm不等()。类似地，静电相互作用是在德拜长度λD的尺度上筛选出来的，在生理离子强度(15 0 Mm)下约为1 nm，根据λD≈0.3/I 1/2，随着离子强度I的减小，λD以nm为单位，I以摩尔单位为单位。

正如Prevelige()首先提出的那样，空的衣壳通过“成核和生长”机制组装，在这个机制中，一个关键的核形成之后是一个生长阶段，在这个阶段，一个或几个亚基依次添加，直到衣壳完成(图3)。临界核被定义为最小的中间体，其在解体前生长到完整衣壳的可能性大于50%。较小的中间体是瞬变的，因此临界核的形成是罕见的事件，其时间标度为τNuc~c1nNuc，nNuc为核大小(，)。相反，生长阶段的中间体相对稳定；因此，亚基或小寡聚体的连续添加是独立的，衣壳完成生长阶段的时间尺度与游离亚单位浓度(，)呈低阶关系。

由于二十面体壳体的几何形状，前几个中间体具有相对较少的亚单位-亚单位接触，因此相对不稳定。临界核通常对应于一个小多边形(图3)，其几何形状使相互作用的数量最大化；此外，亚基构象的变化可能为多边形的形成提供额外的稳定。随亚单位-亚单位结合自由能或自由亚单位浓度的降低，小中间体变得不太稳定，临界核尺寸增加()。因此，随着亚单位过饱和度在组装反应过程中的减少，临界核尺寸增加，逐渐接近半衣壳()。

类似的注意事项也适用于衣壳拆卸。首先要分解的几个亚基必须打破许多接触，导致很大的激活障碍。因此，在给定的一组条件(，)下，在组装和拆卸之间存在明显的滞后。这种情况使得衣壳即使在无限稀释的情况下也是高度亚稳定的()，这是一个重要的特征，因为它们最终必须离开宿主细胞感染另一个细胞。一些衣壳经历了组装后成熟过程，这进一步增加了它们的稳定性。

衣壳组装动力学，无论是通过实验(-)测量，还是从理论或计算模型(，)计算，都是S形的(图2A)。有一个最初的滞后阶段，在此期间形成衣壳中间体，随后是快速的衣壳生产，然后是一个接近平衡的渐近阶段，在此期间，由于游离亚基的耗尽，成核势垒升高，组装速度变慢。增加亚基浓度c，T或亚基间相互作用的强度gb(通常通过降低pH或增加盐浓度)最初会导致更快的组装。然而，虽然热力学(Eq.。2)表明结构良好的衣壳的产率随着gb和cT的增加而单调增加，由于动力学陷阱，随着这些参数的变化(见图2A中的最高离子强度)，在长而有限的时间内的产率是非单调的。

这些建模和实验研究表明，相互作用的特异性和动力学可及性之间存在权衡-更具体的相互作用增加了目标结构的组装选择性，但由于动力学截面(，)的减少而降低了组装速率。热力学和动力学之间竞争的结果已经通过绘制“动力学相图”(图2B)进行了总结，这些相图描述了作为亚单位浓度、相互作用强度和Degre的函数的在长时间但有限时间内的主要组装结果

本节重点介绍在感染过程中衣壳在病毒基因组周围自发组装的病毒。这一类别包括大多数ssRNA病毒和HepadNaviridae(例如HBV)和Spumaviridae，它们聚集在ssRNA前基因组周围，然后经过反转录在病毒粒子中产生dsDNA。

衣壳蛋白上的正电荷和RNA上的负电荷之间的静电相互作用为这一过程提供了重要的热力学驱动力。例如，许多负链RNA病毒的衣壳蛋白通过带正电的裂隙()与RNA结合。对于许多正链RNA病毒，衣壳蛋白通过富含碱性氨基酸的柔性末端结构域与RNA结合，称为富含精氨酸的基序(ARM)()。特定的RNA序列或化学不是组装所必需的，正如早期的体外实验中ssRNA衣壳蛋白组装在异源核酸甚至聚乙烯基硫酸酯(，)周围，以及最近的实验中衣壳蛋白组装在各种带负电荷的底物(例如(-))上所证明的那样。我们首先描述这些实验和理论模型揭示了组装如何依赖于RNA或其他聚电解质的物理特性，如电荷、大小和结构。由于篇幅所限，我们不讨论围绕非聚合核心的组装研究(参见参考文献)。(，))。然后，我们讨论病毒特异性相互作用可以增强共同组装和实现病毒基因组的选择性包装的机制。

我们考虑衣壳蛋白亚基的解。

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