清華新聞網6月12日電 日前，清華大學醫學院向燁研究組在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線發表題為「有尾噬菌體φ29組裝成熟機制結構生物學研究」（Structural assembly of the tailed bacteriophage φ29）的研究論文。文章採用結構生物學手段來揭示噬菌體φ29在組裝成熟過程中如何感知並終止病毒基因組DNA轉運包裝，以及感染過程中病毒是如何釋放其基因組DNA等一系列過程的分子機制。
噬菌體φ29是目前研究較為廣泛的有尾非包膜病毒之一。它通過其非收縮性短尾結構侵染並將病毒基因組DNA注入宿主枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）中。在病毒感染後期，病毒結構蛋白首先組裝形成一個空的前體衣殼頭部（prohead）。隨後位於病毒前體衣殼頭部一端的頭尾連接蛋白（connector）附近組裝形成DNA包裝分子馬達，其能利用水解ATP所得的能量將病毒基因組DNA包裝進空的前體衣殼中。在整個病毒基因組DNA的包裝完成後，病毒終止DNA包裝，拋棄DNA包裝分子馬達，隨即尾部相關蛋白相繼組裝形成成熟的病毒顆粒。在這一過程中，病毒是如何感知基因組DNA包裝的進度並通過什麼機制來終止該過程，目前還不是很清楚。
噬菌體φ29前體衣殼、成熟病毒顆粒以及DNA釋放後空病毒顆粒三種不同狀態結構示意圖
本研究主要通過冷凍電鏡單顆粒三維重構方法解析得到噬菌體φ29病毒三種不同狀態的高分辨結構，即前體衣殼、成熟病毒顆粒以及DNA釋放後的空病毒顆粒。通過比較前體衣殼和成熟病毒顆粒結構，發現φ29能夠利用其基因組DNA包裝過程中在衣殼中緊密堆積的DNA所產生的壓力以及DNA末端特殊的環狀結構（toroid structure）來精細地控制整個包裝過程。在二者相互作用下，頭尾連接蛋白在轉運後期發生空間和構象上的變化，進而導致分子轉運馬達結構的脫落而終止了DNA轉運過程。另外，比較φ29病毒顆粒在DNA釋放前後病毒尾部結構的變化，發現gene protein 11（gp11）結構的變化可能破壞原先其內腔與病毒DNA相互作用的穩態，從而引發病毒DNA的釋放。綜合一系列結果從結構生物學層面上闡明了噬菌體φ29組裝和感染相關的詳細分子機制。
此項工作由醫學院向燁實驗組獨立完成。向燁博士為論文通訊作者，已畢業的2013級博士生許靖蔚為第一作者，2014級博士生王點紅和桂淼博士參與了該項工作。該研究得到科技部重大研發計劃（2016YFA0501100）、國家自然科學基金（21827810,31861143027和31470721）和北京清華大學結構生物學高精尖創新中心的大力支持。同時項目也得到上海同步輻射設施及國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地在數據收集上的大力支持。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10272-3
供稿：醫學院
編輯：李華山
審核：周襄楠