清华大学向烨研究组《自然》发文揭示细菌病毒突破宿主细胞膜新机制

 

左图：噬菌体φ29尾部蛋白gp9晶体结构与成熟噬菌体病毒颗粒冷冻电镜三维重构结果拟合示意图，其中红色部分为具有形成孔道性质的疏水性肽段（Lloop）；右图：经过酸诱导DNA释放后噬菌体冷冻电镜三维重构尾部结构以及根据电子密度模拟搭建的gp9结构。可以看到在酸诱导DNA释放后，Lloop能够从gp9形成的通道中翻转出来形成独立新的孔道结构。

 

细菌病毒（又名噬菌体）φ29属于双链DNA病毒，其通过自身的非收缩性短尾特异性侵染宿主枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）。属于革兰氏阳性菌的枯草芽孢杆菌由细胞壁和细胞质膜包裹，帮助自身抵御外界干扰及病毒入侵。噬菌体首先需要克服细胞壁和细胞膜的阻碍，才能将遗传物质注入宿主进行复制和重新组装。φ29及其它大多数噬菌体通过尾部蛋白肽聚糖水解酶对细胞壁进行局部水解而突破细胞壁。

 

然而，科学界对于噬菌体突破细菌细胞质膜并释放其遗传物质到宿主体内的机制知之甚少。通过比较噬菌体φ29尾部末端蛋白gp9全长和突变体gp9△417-491的晶体结构，向烨研究组发现gp9蛋白能够形成六聚体通道结构。相对于gp9△417－491，全长gp9通道内部被一段疏水性肽段（Lloop）所填充。在φ29感染过程中，这段疏水性肽段必须从gp9通道中释放出来，病毒DNA才能通过通道注入宿主细胞。对该肽段氨基酸同源序列搜索发现，该肽段与HIV病毒及流感病毒的融合肽段（fusionpeptide）氨基酸序列性质相似。这说明φ29的这段疏水性肽段很可能与细胞膜作用。比较噬菌体φ29在DNA释放前后的尾部通道结构的冷冻电镜三维重构结果，发现DNA释放后，该疏水性肽段能够从gp9形成的通道内部翻转，在尾末端形成一个独立的新的孔道。当与脂质体混合并经过酸处理诱导DNA释放后，通过冷冻电镜观察到噬菌体φ29整齐排列在脂质体周围，且脂质体内部有噬菌体DNA。电镜重构结构显示尾部新暴露出的疏水肽段插入脂质体上形成跨膜孔道供DNA通过。这一以形成跨膜孔道突破细胞膜的机制与一些真核病毒如腺病毒类似，表明虽然真核病毒和原核病毒在形态结构及入侵机制上有着较大区别，针对同一障碍的趋同进化过程使得它们形成类似的机制克服宿主细胞膜障碍。

 

此项工作由医学院向烨研究组独立完成。向烨博士为论文通讯作者，2013级博士生许靖蔚为第一作者，研究组学生桂淼、2014级博士生王点红参与了该项工作。该研究得到我国973项目、国家自然科学基金、中组部青年千人计划、感染性疾病诊治协同创新中心和北京清华大学结构生物学高精尖创新中心的大力支持，同时也得到上海同步辐射设施及国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地在数据收集上的大力支持。

 

Thebacteriophage?29tailpossessesapore-formingloopforcellmembranepenetration

 

Mostbacteriophagesaretailedbacteriophageswithanisometricoraprolateheadattachedtoalongcontractile,longnon-contractile,orshortnon-contractiletail1.Thetailisacomplexmachinethatplaysacentralroleinhostcellrecognitionandattachment,cellwallandmembranepenetration,andviralgenomeejection.Themechanismsinvolvedinthepenetrationoftheinnerhostcellmembranebybacteriophagetailsarenotwellunderstood.Herewedescribestructuralandfunctionalstudiesofthebacteriophage?29tailknobproteingeneproduct9(gp9).The2.0??crystalstructureofgp9showsthatsixgp9moleculesformahexamerictubestructurewithsixflexiblehydrophobicloopsblockingoneendofthetubebeforeDNAejection.Sequenceandstructuralanalysessuggestthattheloopsinthetubecouldbemembraneactive.FurtherbiochemicalassaysandelectronmicroscopystructuralanalysesshowthatthesixhydrophobicloopsinthetubeexituponDNAejectionandformachannelthatspansthelipidbilayerofthemembraneandallowsthereleaseofthebacteriophagegenomicDNA,suggestingthatcellmembranepenetrationinvolvesapore-formingmechanismsimilartothatofcertainnon-envelopedeukaryoticviruses2,3,4.Asearchofotherphagetailproteinsidentifiedsimilarhydrophobicloops,whichindicatesthatacommonmechanismmightbeusedformembranepenetrationbyprokaryoticviruses.Thesefindingssuggestthatalthoughprokaryoticandeukaryoticvirusesuseapparentlyverydifferentmechanismsforinfection,theyhaveevolvedsimilarmechanismsforbreachingthecellmembrane.