Sci Adv | 朱平/王海纳/黄力团队合作揭示一种新型古菌包膜病毒的基因组结构及其感染策略

三域学 说 将地球上的生命分为细菌、 古 菌 和 真核生物三个生命域。其中古菌 广泛分布于极端环境如 热泉 、 海底热液口 或 盐湖 等 ， 被认为是研究生命起源和极端 环境 生存机制的关键对象 ，也为地外生命的探索提供重要的参考 。 感染古菌的病毒 被称为古菌病毒，其 形态多样 ， 如纺锤形、瓶状、水滴形、 丝 状、棒状等 ， 这些病毒的发现 激发了人们 对 古菌病 毒 极端环境的适应性 的研究兴趣 (Wang, Peng et al. 2015) 。 尽管古菌病毒 具有高度的形态多样性，覆盖了目前已知的所有病毒结构类型，然而，自二十世纪七十年代以来，可培养 的古菌病毒 却 仅报道 了一百多株。

前期 对古菌病毒 的研究主要集中在结构较为均 一 的 丝状病毒、纺锤状病毒和正二十面体病毒，它们通常依赖高度紧凑的组织结构来抵御极端环境的影响。例如丝状病毒通过其主要衣壳蛋白将基因组 DNA 包装为 A 型 DNA ，并可通过广泛的蛋白质间的疏水相互作用阻隔环境中极端 pH 的影响。

中国科学院微生物研究所黄力研究团队 于 2 011 年从哥斯达黎加酸性热泉（ 86 - 106°C , pH2.2 - 2.5 ）中分离到 一株古菌包膜 病毒 Sulfolobus ellipsoid virus 1 （ SEV1 ），并与 中国科学院生物物理研究所朱平研究团队 合作 ， 于 2 018 年在 Journal of Virology 发表研究论文，对该病毒进行了基本表征。 研究显示， SEV 1 的核衣壳采用了罕见的多层结构，外覆脂质囊膜，病毒颗粒具有较高的柔性 ， 其线性双链 DNA 基因组编码 B 型 DNA 聚合酶 (Wang, Guo et al. 2018) 。 由于该病毒的独特性 ，国际病毒分类委员会为其设立了 椭球形 病毒科 Ovaliviridae ， SEV 1 至今仍是该科的唯一成员 (Huang, Wang et al. 2021) 。

作为 包膜病毒， SEV 1 柔性较高 、结构均 一 性低、且缺乏对称性，因此难以通过单颗粒三维重构的方法 解析其结构。 另外， 对于 SEV 1 在极端环境下侵染宿主的 策略，目前 仍 缺乏 高分辨率的 原位证据。 因此， 深入研究 SEV 1 的结构特性及其极端环境适应机制，将有助于填补现有认知空白，并为极端环境下的病毒 - 宿主 的相互作用 提供新 见解。

继 2 018 年首次合作表征 SEV 1 病毒， 2025 年 7 月 1 8 日，中国科学院生物物理研究所朱平研究团队与 南方海洋科学与工程广东省实验室（广州） / 中国科学院微生物研究所黄力研究团队 以及中国地质大学（北京）王海纳博士 合作在 Science Advances 杂志发表了题为

Insights into the spool-like architecture and infection strategy of an enveloped archaeal virus

图一： SEV1 基因组的组装和感染宿主生活史模型

研究团队 首先 对病毒 颗粒 富集后进行 cryo-ET 的数据收集。 病毒的核衣壳是由 核蛋白 与其基因组 DNA 结合形成的核蛋白纤丝缠绕形成的。 分析 显示 病毒 核蛋白纤丝 在平面内沿着病毒纵轴多次环绕，形成类似于蚊香片的盘状结构，并通过多个此类结构的堆叠，形成一个紧凑的螺旋“线轴”。同时研究者发现 核蛋白 基因组上 以 “串珠”状 排列 ， 呈现出一定的规律性 。随后研究者使用 子断层平均（ S ubtomogram averaging ， STA ） 的方法对病毒 颗粒 上不同区域的特征进行进行 分析 。平均结果 显示 ， 核蛋白在 核衣壳中以 类似晶格状的方式 排列 ，核蛋白之间的距离相对固定。 病毒 基因组 被核蛋白包装为 蚊香片式的结构，并 在 蚊香片的中间 形成 一个 孔 洞，随着蚊香片结构的堆叠， 构成了 一个贯穿整个 核衣壳的通道 。 通过 STA ，研究者得到了上述 特征 的 准 确 模型参数 。

通过 生化 分析 ， 研究者 确定了 SEV 1 编码的 VP4 蛋白为其主要衣壳蛋白 ， 也即前述“串 珠”状 结构中的 蛋白。 结合 AlphaFold 的蛋白结构及蛋白质 -DNA 互作 预测分析发现， VP4 蛋白可以以二聚体的形式存在，每个单体都包含五个 α - 螺旋，二聚体通过螺旋共同形成了一个中央通道 供 DNA 穿过。这一 结构 与此前 报道 的 丝状和正二十面体型 古菌病毒核衣壳蛋白的 蛋白质 -DNA 相互作用模型一致 。 VP4 在 公共 数据库中 的 同源 序列很少，对 检索到的同源序列 的系统发育学分析显示 ， 尽管它们之间的一 级 序列相似性较低，三级结构却高度保守，且均 来自 太平洋地区的极端酸热环境，包括 美国 黄石国家公园的热泉、日本的热泉和墨西哥加利福尼亚湾的深海沉积物。因此研究者推测 ， 无论 病毒 形态如何， 其 主要核衣壳蛋白 的 α- 螺旋形成二聚体包裹核酸可能是 古菌病毒 在极端环境下 保护其遗传物质的 的保守策略。 综 合结构 生物学 和生 物 信 息学 分析，研究者提出了由 VP4 介 导 新型病毒包装模型“ 盘绕 - 堆叠”模型（ coil-stacking ） 。

除了典型的符合“ 盘绕 - 堆叠”模型的病毒颗粒，研究者还在感染的宿主细胞内以及纯化后的病毒 制备物 中 发现 含有 核衣壳部分 翻转的病毒颗粒，称之为“非典型病毒颗粒”。这类病毒颗粒中的蚊香片结构 的取向 相对于其他部分发生了翻转，显示出 SEV1 病毒颗粒的核衣壳结构的 柔性 。那么这种柔性的结构是如何适应极端环境的呢？随后 ， 研究者通过模拟不同极端条件（ pH 0.5-13 ， 2 5-100 °C ）对 完整 病毒 颗粒 和病毒 的核衣壳 结构进行处理，观察病毒及其核衣壳在极端条件下的稳定性。值得注意的是 ， 高温下，病毒本身结构仍然能够保持完整，但是当其失去 包 膜后，其核衣壳结构被完全破坏，提示 这种 古菌病毒的 包 膜对于基因组的稳定性起到关键性作用。这 与 之前报道的古菌丝 状病毒结构 主要 依靠刚性来抵御极端环境 有所不同 。

随后 ， 研究团队利用 cryo-FIB 和 cryo-ET 对 SEV1 感染 古菌宿主 细胞 的过程 进行了观察，并结合分割结构分析发现： 在健康的宿主细胞中， 细胞质分布均匀且 S- 层紧密附着于细胞膜； 被 SEV 1 感染后， 宿主胞质显著重组，原本均匀的细胞质逐渐凝缩成斑块状，并形成类似于“病毒工厂”的大块高密度聚集区域；研究者在这些区域周围捕捉到一系列病毒组装中间体，包括正在盘绕的核蛋白纤丝， 以及被装配到带有刺突蛋白的囊膜内形成的成熟的子代病毒颗粒， 且可见典型的 “ 盘绕 - 堆叠 ”核衣壳 结构。 这些图像 显示 ， SEV1 的装配和获得囊膜 的成熟 过程均在宿主胞质内完成。这一结果表明 ， 与许多其他已知 的包膜 病毒不同， SEV1 的包膜是在宿主胞质中形成而非 通过 出芽 从 宿主 细胞膜 获得 。 包装成熟 的 SEV1 子代病毒颗粒 通过在宿主细胞表面形成典型六边形金字塔结构 （ Virus -associated pyramids ， VAP s ） 开口 释放 。 直到病毒感染的晚期，细胞内物质消耗殆尽，宿主细胞几乎变为空壳。

由上述结果可知， VAP 是 SEV 1 释放的关键结构。 是什么蛋白构成 了 VAPs ？通过对病毒编码 蛋白 的二级 结构 预测和功能验证，研究者证明 SEV1 编码的 ORF84 是 构成 VAP 的 相关蛋白， 在 冰岛硫化叶菌 （ S. islandicus E233S ）中异 源表达 该蛋白编码基因，可以形成与天然 VAP 类似的多瓣开 口，但与病毒在宿主细胞表面形成的 VAP 不同，呈七边形 ，这说明宿主细胞在 VAP 形成中也 有 作用。

上述发现展示了SEV1在宿主细胞内的精细装配、囊膜获得和释放的全过程，也是首次利用cryo-FIB对古菌病毒生活史进行研究，揭示了古菌病毒在极端环境下进化出的独特的组装与释放策略。

中国科学院 生物物理研究所朱平研究组博士生张浩楠 和 中国地质大学（北京） 的王海纳 博士 为该论文的共同第一作者，朱平研究员 、黄力研究员和王海纳 博士 为论文的通讯作者。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv7326

制版人： 十一

参考文献

1. Huang, L., H. Wang and C. Ictv Report (2021). "ICTV Virus Taxonomy Profile: Ovaliviridae."Journal of General Virology102 (3).

2. Wang, H., Z. Guo, H. Feng, Y. Chen, X. Chen, Z. Li, W. Hernandez-Ascencio, X. Dai, Z. Zhang, X. Zheng, M. Mora-Lopez, Y. Fu, C. Zhang, P. Zhu and L. Huang (2018). "Novel Sulfolobus Virus with an Exceptional Capsid Architecture."Journal of Virology92 (5).

3. Wang, H., N. Peng, S. A. Shah, L. Huang and Q. She (2015). "Archaeal extrachromosomal genetic elements."Microbiology and Molecular Biology Reviews79 (1): 117-152.

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