中國科大揭示短尾噬藻體關(guān)鍵侵染元件的原位組裝模式

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部周叢照教授課題組利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析特異性侵染模式魚腥藻的淡水短尾噬藻體A4的完整三維結(jié)構(gòu)，揭示其衣殼的雙層加固機(jī)制以及衣殼內(nèi)部關(guān)鍵侵染元件前注射體的原位組裝模式，首次闡明病毒基因組在前注射體上的包裝模式，相關(guān)研究成果以“Cryo-EM structure of cyanopodophage A4 reveals a pentameric pre-ejectosome in the double-stabilized capsid”為題于3月31日在線發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

藍(lán)藻是淡水生態(tài)系統(tǒng)中重要的光合微生物，但其過度增殖將導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，并引發(fā)藍(lán)藻水華。噬藻體作為藍(lán)藻的天然“捕食者”，可裂解宿主并調(diào)控藍(lán)藻的種群平衡，在水環(huán)境保護(hù)過程中發(fā)揮著重要作用。魚腥藻PCC 7120是研究淡水藍(lán)藻生理與遺傳的模式生物，可被短尾噬藻體A4特異性侵染。短尾噬藻體由于尾長受限，侵染時(shí)需要由衣殼內(nèi)的前注射體（pre-ejectosome）在宿主細(xì)胞膜間重構(gòu)跨膜通道，以輔助病毒完成基因組注射。前注射體通常由多個(gè)蛋白高度壓縮形成，但對(duì)其原位構(gòu)象的研究十分有限，極大地限制對(duì)噬藻體基因組包裝與侵染機(jī)制的深入理解。

作者利用質(zhì)譜分析鑒定出噬藻體A4的11種結(jié)構(gòu)蛋白，隨后通過冷凍電鏡技術(shù)解析A4的完整三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其衣殼由兩類不同折疊類型的裝飾蛋白（cementprotein）共同加固。其中，主要裝飾蛋白gp37以二聚體形式穩(wěn)定衣殼，而輔助裝飾蛋白gp25則以三聚體形式進(jìn)一步協(xié)同加固，形成雙層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（圖1）。A4衣殼內(nèi)部的前注射體由四種注射蛋白gp29~gp26通過類似“榫卯結(jié)構(gòu)”的方式組裝，由內(nèi)到外形成三層同軸復(fù)合體，最終構(gòu)成五聚體的前注射體。結(jié)構(gòu)分析首次清晰揭示病毒基因組在前注射體上的包裝模式：前注射體外側(cè)環(huán)繞著七圈雙鏈DNA（dsDNA），其中第一圈dsDNA緊密結(jié)合在前注射體最外層gp27-gp26的堿性溝槽中，揭示病毒基因組包裝的起始錨定位點(diǎn)?；谇白⑸潴w的原位結(jié)構(gòu)并結(jié)合前期研究，作者提出短尾噬藻體可能的基因組包裝過程和注射機(jī)制。該研究首次闡明短尾噬藻體前注射體的精確組裝模式，以及其與基因組包裝的協(xié)同效應(yīng)，為理解短尾噬藻體的侵染機(jī)制提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，有助于A4作為底盤噬菌體在合成生物學(xué)中的應(yīng)用。

中國科大周叢照教授、李瓊副教授和中國科學(xué)院水生所張奇亞教授為該論文的共同通訊作者，中國科大博士研究生侯普和博士后周睿倩為該論文的共同第一作者。冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集工作在中國科大冷凍電鏡中心完成，質(zhì)譜分析依托生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)。上述研究得到國家自然科學(xué)基金、中央高?；A(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)和安徽省科技廳的資助。李瓊感謝安徽省青年科技人才托舉計(jì)劃的支持。