Sci Adv | 刘骏、Molineux联合揭示原位结构研究揭示λ噬菌体的侵染启动机制

噬菌体能够特异性地侵染并在细菌内复制。因此，理解噬菌体的结构、装配和侵染过程，对于充分发挥其在医学治疗、医药、农业、环境管理和生物技术等领域的潜力至关重要。噬菌体已经进化出多种机制上截然不同的基因组传递机器，以跨越宿主细胞包膜的复杂屏障。尽管它们在序列上存在极端的多样性，但虹吸型噬菌体（siphophage）的总体结构组织是保守的：具有一个二十面体或长形衣壳，其中封装着基因组 DNA，并带有一个长而柔韧、不可收缩的尾部。尾部的尖端由多个蛋白质复合形成，负责宿主细胞识别、表面吸附，并促进病毒基因组传递至宿主细菌内。λ噬菌体是研究最深入的siphophage。λ于1949年被发现，大多数实验室使用的“野生型 λ”（λWT）与原始株 Ur-λ不同，无法合成和装配侧尾纤维。Ur-λ侧尾纤维末端的受体结合结构域与大肠杆菌外膜蛋白 OmpC相互作用，并显著提高吸附速率。但目前对于λ噬菌体如何启动侵染的机制尚不清楚。

2025年11月13日，来自耶鲁大学的刘骏团队联合得克萨斯大学奥斯汀分校的Ian J Molineux教授在Science Advances发表了题为

Structural basis of bacteriophage Ur-lambda infection initiation

高分辨率冷冻电镜Ur-λ的整体结构

研究团队使用高分辨率cryo-EM解析了Ur-λ的整体结构，其二十面体衣壳由 gpE 和 gpD 编码。衣壳的一个顶点携带门户-颈部复合体（portal-neck complex），由 gpB、gpW、gpFII、gpU构成。尾管由31个gpV环堆叠组成，其腔道内包含一种切割形式的gpH，称为 gpH*，其在噬菌体尾部组装过程中起到决定尾部长度的作用，因而被称为卷尺蛋白，而将其C端蛋白水解片段称为gpHC。我们还以3.37 Å的整体分辨率解析出其尾端复合体，是噬菌体识别宿主LamB受体的结构单元，尾管蛋白gpV、远端尾部蛋白gpM，以及环绕这两者的尾部项圈蛋白（来自于侧尾纤维gpSTF的N末端），尾端连接蛋白gpL，以及中央纤维蛋白gpJ，gpH 的三个C端片段，并且我们发现其卷尺蛋白在尾管中以六聚体形式存在，从而为研究宿主侵染提供了结构学基础。

Type I复合体

研究团队使用cryo-ET对侵染过程在原位进行了可视化观察，样本包括侵染的小细胞（minicells），以及经过cryo-FIB切片的常规细胞。部分噬菌体仅通过其侧纤维与宿主细胞结合，但大多数颗粒同时依靠中央纤维和侧纤维进行附着。中央纤维与侧纤维均保持了与自由病毒体相似的构象。四根侧纤维的长度明显长于中央纤维，因此在侵染早期，一个或多个侧纤维极有可能先与宿主外膜蛋白OmpC结合，然后中央纤维再与 LamB结合。由单根侧纤维与OmpC相互作用的状态，可能代表了侵染过程中最早期的特异性吸附中间态。然而，即使侵染的噬菌体仅暂时通过OmpC被系留在宿主细胞表面，中央纤维gpJ与其受体 LamB 相互作用的可能性也会显著增加。为了理解中央纤维如何与宿主受体LamB相互作用，我们对尾端复合体进行了亚断层平均（subtomogram averaging）。尾端与项圈之间的距离约为 40 nm，与自由态噬菌体相同，表明尾端复合体在此阶段尚未发生显著的结构变化。这些结构很可能对应于 Type I 复合体【1】，应被描述为可逆吸附状态的噬菌体。

Type IIa复合体

在经历前文所述的Type I复合体之后，侵染过程进入Type II复合体阶段【2, 3】。在一些情况下，Ur-λ与宿主的相互作用更加紧密，尽管此时衣壳内部仍然完全充满 DNA。值得注意的是，一段对应于中央纤维密度信号出现在尾部一侧，呈明显的弯曲状态，同时尾部项圈距离宿主细胞表面的距离缩短，从原来的约40 nm减少到约15nm。Subtomogram averaging显示所得结构与最近报道的λWT与LamB复合的尾部cryo-EM结构以及体外条件下的 Type II复合体结构高度相似【4】。然而，一个关键的区别在于，我们在体内观察到的复合体中，噬菌体仍然含有DNA，这直接表明 Type II 复合体是 DNA 排出前的中间态，而非 DNA 排出后的产物。因此，为了区分，我们将该结构称为 Type IIa复合体。此外，我们的Type IIa复合体中包含大肠杆菌的 LamB 蛋白。我们利用λWT–LamB 尾部cryo-EM 结构与subtomogram averaging得到的原位结构，构建了侵染中间态的结构模型。可以明显看出，中央纤维在从闭合状态（即成熟噬菌体或Type I复合体）向开放状态（即 Type IIa 侵染中间态）转变时，经历了显著的构象变化并发生了剧烈弯曲。我们的原位 Type IIa 结构代表了侵染过程中一个重要的中间态，也是目前观察到的最早的不可逆吸附Ur-λ结构。

Type IIb复合体

先前描述的Ur-λ侵染中间体尚未形成贯穿细胞包膜的通道，因此噬菌体基因组无法转运至宿主细胞质中。所得的断层图像显示，大多数吸附的噬菌体其衣壳已为空，表明 DNA 已被释放。同时可见中央纤维与侧纤维均发生了额外的构象变化。侧纤维近端与远端部分之间的铰链角由游离噬菌体中的 107°增大至 134°，而中央纤维虽然只在少数颗粒中清晰可见，但其弯曲程度比先前描述的Type IIa复合体更为显著。这些构象变化使尾端复合物能够更靠近细胞表面。值得注意的是，一些吸附的噬菌体在尾端与被侵染细胞内膜之间形成了一种延伸结构。我们称该结构部分为 IIb 型复合体（Type IIb），可能与体外研究中观察到的、与膜片段结合的 Type II复合体相对应。Subtomogram averaging解析其结构显示，尾端复合物的结构与 Type IIa 复合体非常相似，但在 Type IIb中，尾管部分的密度消失。然而，最显著的差异是出现了一个贯穿整个周质空间的通道。根据前人所推测，gpH*很可能是噬菌体基因组穿越周质空间的通道蛋白候选者。gpH* 的分子量估计约为 78 kDa，大致对应于gpH的1-710号氨基酸残基。我们将gpH分为三个片段：1–319、320–691及692至C末端。前两个片段的六聚体模型形成了类似管状的结构，并且能很好地嵌入到原位观测到的跨包膜通道密度中，这揭示gpH*六聚体可能构成了DNA排出的部分通道。第三片段的大部分对应于gpHC,该结构似乎堵塞了由第二片段形成的假定通道。因此，第三片段很可能需要与gpI一起移位，才能使gpH*被排出。

综上所述，该研究解析了完整 Ur-λ的高分辨率结构，包括中央纤维与侧纤维。团队利用minicell模型，并结合cryo-ET与cryo-FIB milling技术，可视化了Ur-λ侵染启动过程中的多个中间态。总体而言，本研究揭示了广泛的构象变化如何促进吸附；同时，并首次可视化了病毒基因组排出所需的跨膜通道，揭示了Ur-λ启动侵染的分子机制，对理解广泛的siphophage家族具有重要意义。

耶鲁大学博士后研究员于华鑫博士为该论文的第一作者，得克萨斯大学奥斯汀分校的Ian J Molineux教授和耶鲁大学刘骏教授为本文的共同通讯作者。团队成员王春艳、岳剑、郭王彪也为该项研究做出了重要贡献。

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adw7914

制版人： 十一

参考文献

1.Roessner, C.A., D.K. Struck, and G.M. Ihler, Morphology of Complexes Formed between Bacteriophage-Lambda and Structures Containing the Lambda Receptor.Journal of Bacteriology, 1983. 153(3): p. 1528-1534.

2.Roessner, C.A., D.K. Struck, and G.M. Ihler, Injection of DNA into liposomes by bacteriophage lambda.Journal of Biological Chemistry, 1983. 258(1): p. 643-648.

3.Roessner, C.A. and G.M. Ihler, Formation of transmembrane channels in liposomes during injection of lambda DNA. J Biol Chem, 1986. 261(1): p. 386-90.

4.Ge, X. and J. Wang, Structural mechanism of bacteriophage lambda tail's interaction with the bacterial receptor.Nat Commun, 2024. 15(1): p. 4185.

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