Nat Commun | 孫蕾/陳振國(guó)團(tuán)隊(duì)與合作者揭示噬菌體T4頸部組裝及劫持宿主蛋白進(jìn)行基因組保留的機(jī)制

噬菌體T4是分子生物學(xué)與病毒結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的重要模型，被稱為高度協(xié)調(diào)的“納米機(jī)器“。 其組裝采用模塊化方式：頭部和尾部分別獨(dú)立裝配。頭部先形成并將171 kb的DNA以近晶態(tài)密度壓縮入殼，內(nèi)部壓力可達(dá)25–35個(gè)大氣壓；隨后再與已裝配完成的尾部精準(zhǔn)對(duì)接，形成具有感染能力的完整病毒 。 由于DNA在頭部?jī)?nèi)處于高壓狀態(tài)，DNA包裝終止、包裝馬達(dá)解離以及頭尾連接必須緊密銜接，否則會(huì)導(dǎo)致基因組泄漏、組裝失敗。盡管T4頭部和尾部結(jié)構(gòu)已被大量研究，但頸部在頭尾連接處如何形成密封結(jié)構(gòu)以抵御高壓并穩(wěn)定保留基因組，仍有待闡明。

近日, 復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院孫蕾研究員、上海市第五人民醫(yī)院陳振國(guó)研究員聯(lián)合美國(guó)天主教大學(xué)Venigalla B. Rao教授在 Nature Communications 上背靠背發(fā)表兩篇論文：

Cryo-EM structures of bacteriophage T4 portal-neck assembly intermediates reveal a viral genome retention mechanism

In situ structures of the portal-neck-tail complex of bacteriophage T4 inform a viral genome positioning mechanism

第一項(xiàng)研究通過(guò)體外（ in vitro ）重建頸部組裝中間體gp13/gp14，解析了其高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次發(fā)現(xiàn)病毒在裝配過(guò)程中“劫持”宿主蛋白RNA結(jié)合蛋白Hfq作為輔助因子。 Hfq與gp14的“阻滯環(huán)”共同構(gòu)成雙重基因組門控結(jié)構(gòu)，有效封堵已包裝的高壓DNA，防止其在頭尾連接前發(fā)生泄漏。同時(shí)，Hfq的瞬態(tài)結(jié)合還起到穩(wěn)定頸部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與 配質(zhì)量控制作用，避免錯(cuò)誤組裝的發(fā)生。

為了探究T4頸部的組裝機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)首先在體外成功重構(gòu)了頸部組裝的關(guān)鍵中間體，并意外發(fā)現(xiàn)大腸桿菌宿主因子Hfq蛋白與gp14相結(jié)合。隨后團(tuán)隊(duì)又將門戶蛋白gp20與頸部蛋白在體外進(jìn)行組裝，得到門戶-頸部蛋白復(fù)合體。利用冷凍電鏡技術(shù)，解析出多個(gè)關(guān)鍵復(fù)合物近原子分辨率結(jié)構(gòu)。

“雙重大門”防止基因組泄露

由頸部通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析可以看到，六個(gè)gp14亞基物理性地阻擋雙鏈DNA通過(guò)，構(gòu)成了主要的基因組封存第一重門控。另外， 宿主Hfq蛋白以六聚體的形式，精準(zhǔn)地結(jié)合在gp14六聚體的底部 ，像一個(gè)“加固栓”一樣堵住了通道的出口形成第二道門。這種由病毒自身蛋白（gp14）和宿主蛋白（Hfq）共同構(gòu)成的“ 雙重大門 ”機(jī)制，確保了在尾部接裝前，高壓基因組被牢牢鎖在衣殼內(nèi)（圖1）。

圖1. T4噬菌體頸部雙門控機(jī)制

Hfq 瞬間輔助與質(zhì)量控制功能

進(jìn)一步的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明， Hfq與頸部的結(jié)合是瞬態(tài)且非必需的。Hfq能穩(wěn)定gp13/gp14復(fù)合物，防止其發(fā)生錯(cuò)誤組裝（如gp14誤與門戶gp20結(jié)合）。在后續(xù)尾部蛋白gp15裝配時(shí)，熱力學(xué)上更穩(wěn)定的gp14/gp15相互作用會(huì)驅(qū)動(dòng)Hfq從復(fù)合物中解離，因此成熟病毒粒子中不含有Hfq。 與此同時(shí)，gp14第一重門門（stopper loop）打開(kāi)，將DNA釋放至尾管中。 這體現(xiàn)了一種精巧的“借用-歸還”策略，病毒在不增加自身基因組負(fù)擔(dān)的前提下，利用宿主資源優(yōu)化了裝配的保真性與效率（圖2）。

圖2. T4噬菌體頸部組裝機(jī)制

第二項(xiàng)研究則在成熟病毒顆粒中原位（ in-situ ）解析了門戶-頸部-尾部復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，捕捉到一系列 由內(nèi)部壓力驅(qū)動(dòng)的 構(gòu)象變化：DNA在頭部包裝完成后，門戶蛋白在內(nèi)部壓力作用下發(fā)生全局構(gòu)象重排，暴露頸部結(jié)合界面。當(dāng)頸部完成對(duì)接后，尾部蛋白gp15觸發(fā)Hfq 釋放并開(kāi)啟gp14門控結(jié)構(gòu)。在壓力驅(qū)動(dòng)下，DNA向尾部移動(dòng)約170?，與卷尺蛋白結(jié)合并壓縮于尾管中，形成一種“彈簧加載”式的預(yù)感染狀態(tài)。

兩項(xiàng)研究相輔相成，前者捕獲了頸部組裝中間體的封閉狀態(tài)， 闡明其高壓封存基因組的分子機(jī)制 。后者揭示該復(fù)合物在成熟病毒粒子中的開(kāi)放狀態(tài)及DNA定位方式。兩項(xiàng)研究共同描繪出從頭頸部組裝中間態(tài)到尾部組裝后頸部的結(jié)構(gòu)重塑的動(dòng)態(tài)過(guò)程，深化了我們對(duì)T4噬菌體精密組裝機(jī)制的理解。

復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院博士生漢琳、毛綺妤，美國(guó)天主教大學(xué)朱金根為該論文的共同第一作者，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院孫蕾研究員，上海市第五人民醫(yī)院陳振國(guó)研究員和美國(guó)天主教大學(xué)Venigalla B. Rao教授為本文的共同通訊作者。

原文鏈接1：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69107-7

原文鏈接2：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69106-8

制版人： 十一

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