清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁研究組《自然》在線(xiàn)發(fā)文揭示細(xì)菌病毒突破宿主細(xì)胞膜新機(jī)制
清華新聞網(wǎng)6月17日電 6月15日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁研究組于在《自然》（Nature）雜志在線(xiàn)發(fā)表題為“噬菌體φ29尾部蛋白含有一段用于穿透細(xì)胞膜的孔道形成環(huán)絆”（“The bacteriophage φ29 tail knob protein possesses a pore-forming loop for cell membrane penetration”）的論文，揭示細(xì)菌病毒突破宿主細(xì)胞內(nèi)膜新機(jī)制。論文通過(guò)對(duì)細(xì)菌病毒φ29尾部蛋白gp9（gene protein 9）結(jié)構(gòu)及生化研究，發(fā)現(xiàn)病毒利用gp9的一段疏水性肽段在宿主細(xì)胞膜上形成孔道，并通過(guò)其注射基因組DNA入宿主細(xì)胞內(nèi)。
左圖：噬菌體φ29尾部蛋白gp9晶體結(jié)構(gòu)與成熟噬菌體病毒顆粒冷凍電鏡三維重構(gòu)結(jié)果擬合示意圖，其中紅色部分為具有形成孔道性質(zhì)的疏水性肽段（L loop）；右圖：經(jīng)過(guò)酸誘導(dǎo)DNA釋放后噬菌體冷凍電鏡三維重構(gòu)尾部結(jié)構(gòu)以及根據(jù)電子密度模擬搭建的gp9結(jié)構(gòu)?？梢钥吹皆谒嵴T導(dǎo)DNA釋放后，L loop能夠從gp9形成的通道中翻轉(zhuǎn)出來(lái)形成獨(dú)立新的孔道結(jié)構(gòu)。
細(xì)菌病毒（又名噬菌體）φ29屬于雙鏈DNA病毒，其通過(guò)自身的非收縮性短尾特異性侵染宿主枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）。屬于革蘭氏陽(yáng)性菌的枯草芽孢桿菌由細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)膜包裹，幫助自身抵御外界干擾及病毒入侵。噬菌體首先需要克服細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的阻礙，才能將遺傳物質(zhì)注入宿主進(jìn)行復(fù)制和重新組裝。φ29及其它大多數(shù)噬菌體通過(guò)尾部蛋白肽聚糖水解酶對(duì)細(xì)胞壁進(jìn)行局部水解而突破細(xì)胞壁。然而，科學(xué)界對(duì)于噬菌體突破細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜并釋放其遺傳物質(zhì)到宿主體內(nèi)的機(jī)制知之甚少。
通過(guò)比較噬菌體φ29尾部末端蛋白gp9全長(zhǎng)和突變體gp9△417-491的晶體結(jié)構(gòu)，向燁研究組發(fā)現(xiàn)gp9蛋白能夠形成六聚體通道結(jié)構(gòu)。相對(duì)于gp9△417－491，全長(zhǎng)gp9通道內(nèi)部被一段疏水性肽段（L loop）所填充。在φ29感染過(guò)程中，這段疏水性肽段必須從gp9通道中釋放出來(lái)，病毒DNA才能通過(guò)通道注入宿主細(xì)胞。對(duì)該肽段氨基酸同源序列搜索發(fā)現(xiàn)，該肽段與HIV病毒及流感病毒的融合肽段（fusion peptide）氨基酸序列性質(zhì)相似。這說(shuō)明φ29的這段疏水性肽段很可能與細(xì)胞膜作用。比較噬菌體φ29在DNA釋放前后的尾部通道結(jié)構(gòu)的冷凍電鏡三維重構(gòu)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)DNA釋放后，該疏水性肽段能夠從gp9形成的通道內(nèi)部翻轉(zhuǎn)，在尾末端形成一個(gè)獨(dú)立的新的孔道。當(dāng)與脂質(zhì)體混合并經(jīng)過(guò)酸處理誘導(dǎo)DNA釋放后，通過(guò)冷凍電鏡觀(guān)察到噬菌體φ29整齊排列在脂質(zhì)體周?chē)?，且脂質(zhì)體內(nèi)部有噬菌體DNA。電鏡重構(gòu)結(jié)構(gòu)顯示尾部新暴露出的疏水肽段插入脂質(zhì)體上形成跨膜孔道供DNA通過(guò)。這一以形成跨膜孔道突破細(xì)胞膜的機(jī)制與一些真核病毒如腺病毒類(lèi)似，表明雖然真核病毒和原核病毒在形態(tài)結(jié)構(gòu)及入侵機(jī)制上有著較大區(qū)別，針對(duì)同一障礙的趨同進(jìn)化過(guò)程使得它們形成類(lèi)似的機(jī)制克服宿主細(xì)胞膜障礙。
此項(xiàng)工作由醫(yī)學(xué)院向燁研究組獨(dú)立完成。向燁博士為論文通訊作者，2013級(jí)博士生許靖蔚為第一作者，研究組學(xué)生桂淼、2014級(jí)博士生王點(diǎn)紅參與了該項(xiàng)工作。該研究得到我國(guó)973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、感染性疾病診治協(xié)同創(chuàng)新中心和北京清華大學(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)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：http://links.ealert.nature.com/ctt?kn=17&ms=NTE2MTQ3MDgS1&r=MTE0MDgwOTI1NjU2S0&b=2&j=OTQyMTg2NTAyS0&mt=1&rt=0
供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：李華山
