醫(yī)學(xué)院向燁研究組發(fā)文揭示復(fù)雜有尾病毒組裝成熟分子機(jī)制

清華新聞網(wǎng)6月12日電 日前，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁研究組在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為“有尾噬菌體φ29組裝成熟機(jī)制結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究”（Structural assembly of the tailed bacteriophage φ29）的研究論文。文章采用結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段來(lái)揭示噬菌體φ29在組裝成熟過(guò)程中如何感知并終止病毒基因組DNA轉(zhuǎn)運(yùn)包裝，以及感染過(guò)程中病毒是如何釋放其基因組DNA等一系列過(guò)程的分子機(jī)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(guò)其非收縮性短尾結(jié)構(gòu)侵染并將病毒基因組DNA注入宿主枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）中。在病毒感染后期，病毒結(jié)構(gòu)蛋白首先組裝形成一個(gè)空的前體衣殼頭部（prohead）。隨后位于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(dá)，其能利用水解ATP所得的能量將病毒基因組DNA包裝進(jìn)空的前體衣殼中。在整個(gè)病毒基因組DNA的包裝完成后，病毒終止DNA包裝，拋棄DNA包裝分子馬達(dá)，隨即尾部相關(guān)蛋白相繼組裝形成成熟的病毒顆粒。在這一過(guò)程中，病毒是如何感知基因組DNA包裝的進(jìn)度并通過(guò)什么機(jī)制來(lái)終止該過(guò)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釋放后空病毒顆粒三種不同狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

本研究主要通過(guò)冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)方法解析得到噬菌體φ29病毒三種不同狀態(tài)的高分辨結(jié)構(gòu)，即前體衣殼、成熟病毒顆粒以及DNA釋放后的空病毒顆粒。通過(guò)比較前體衣殼和成熟病毒顆粒結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)φ29能夠利用其基因組DNA包裝過(guò)程中在衣殼中緊密堆積的DNA所產(chǎn)生的壓力以及DNA末端特殊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)（toroid structure）來(lái)精細(xì)地控制整個(gè)包裝過(guò)程。在二者相互作用下，頭尾連接蛋白在轉(zhuǎn)運(yùn)后期發(fā)生空間和構(gòu)象上的變化，進(jìn)而導(dǎo)致分子轉(zhuǎn)運(yùn)馬達(dá)結(jié)構(gòu)的脫落而終止了DNA轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。另外，比較φ29病毒顆粒在DNA釋放前后病毒尾部結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)gene protein 11（gp11）結(jié)構(gòu)的變化可能破壞原先其內(nèi)腔與病毒DNA相互作用的穩(wěn)態(tài)，從而引發(fā)病毒DNA的釋放。綜合一系列結(jié)果從結(jié)構(gòu)生物學(xué)層面上闡明了噬菌體φ29組裝和感染相關(guān)的詳細(xì)分子機(jī)制。

此項(xiàng)工作由醫(yī)學(xué)院向燁實(shí)驗(yàn)組獨(dú)立完成。向燁博士為論文通訊作者，已畢業(yè)的2013級(jí)博士生許靖蔚為第一作者，2014級(jí)博士生王點(diǎn)紅和桂淼博士參與了該項(xiàng)工作。該研究得到科技部重大研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0501100）、國(guó)家自然科學(xué)基金（21827810,31861143027和31470721）和北京清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的大力支持。同時(shí)項(xiàng)目也得到上海同步輻射設(shè)施及國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地在數(shù)據(jù)收集上的大力支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10272-3

供稿：醫(yī)學(xué)院

編輯：李華山

審核：周襄楠