Science Advances：用冷冻电子显微镜观察葡萄球菌噬菌体的原子结构

阿拉巴马大学伯明翰分校的研究人员用冷冻电子显微镜空前详细地揭示了一种细菌病毒的结构。这是能够感染表皮葡萄球菌的病毒的第一个结构，高分辨率的结构知识是病毒生物学和病毒用于抑制细菌感染的潜在治疗应用之间的关键环节。

　　

   

   

图片:安得拉噬菌体    

阿拉巴马大学伯明翰分校的研究人员用冷冻电子显微镜以前所未有的细节暴露了一种细菌病毒的结构。这是能够感染表皮葡萄球菌的病毒的第一个结构，高分辨率的结构知识是病毒生物学和病毒用于抑制细菌感染的潜在治疗应用之间的关键环节。

噬菌体或“噬菌体”是用于感染细菌的病毒的术语。由Terje Dokland博士领导的UAB研究人员与伊利诺伊大学香槟分校的Asma Hatoum-Aslan博士合作，描述了噬菌体Andhra中11种不同结构蛋白的全部或部分原子模型。这项研究发表在《科学进展》杂志上。

Andhra是皮病毒群的一员。它的宿主范围仅限于表皮葡萄球菌。这种皮肤细菌大多是良性的，但也是导致住院医疗设备感染的主要原因。伊利诺伊大学的噬菌体生物学家Hatoum-Aslan说:“在噬菌体收藏中很少发现皮病毒，并且在治疗应用中仍未得到充分研究和利用。”

随着表皮葡萄球菌和相关病原体金黄色葡萄球菌对抗生素的耐药性的出现，研究人员对潜在地使用噬菌体治疗细菌感染重新产生了兴趣。皮病毒总是杀死它们感染的细胞，在与细菌细胞壁结合后，通过酶的方式突破细胞壁，穿透细胞膜，将病毒DNA注入细胞。它们还具有其他特性，使它们成为治疗用途的有吸引力的候选者，包括小基因组和无法在细菌之间转移细菌基因。

了解安得拉邦的蛋白质结构以及这些结构是如何使病毒感染细菌的，将使人们有可能利用基因操作生产出适合特定目的的定制噬菌体。

“感染金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的噬菌体之间的宿主特异性的结构基础仍然知之甚少，”UAB微生物学教授、UAB冷冻电子显微镜核心主任Dokland说。“通过目前的研究，我们对Andhra基因产物的结构和功能以及宿主特异性的决定因素有了更好的了解，为更合理地设计定制噬菌体用于治疗应用铺平了道路。我们的发现阐明了病毒粒子组装、宿主识别和穿透的关键特征。”

葡萄球菌噬菌体通常可以感染的细菌范围很窄，这取决于不同菌株表面壁磷酸的可变聚合物。“这种狭窄的宿主范围是一把双刃剑:一方面，它允许噬菌体只针对导致疾病的特定病原体;另一方面，这意味着噬菌体可能需要为每个特定病例的患者量身定制，”Dokland说。

Andhra的一般结构是一个20面圆形二十面体衣壳头，其中包含病毒基因组。衣壳附着在一条短尾巴上。尾部主要负责与表皮葡萄球菌结合并通过酶作用打破细胞壁。病毒DNA通过尾巴注入细菌。尾巴的部分包括从衣壳到尾巴的入口，以及茎、附属物、旋钮和尾尖。

构成每个病毒颗粒的11种不同蛋白质是在多个副本中发现的，这些副本组装在一起。例如，衣壳由两种蛋白质各235个拷贝组成，而其他9种病毒粒子蛋白质的拷贝数从2到72。总的来说，病毒粒子由645个蛋白质片段组成，其中包括第12个蛋白质的两个副本，其结构是使用蛋白质结构预测程序AlphaFold预测的。

Dokland, Hatoum-Aslan和共同第一作者N 'Toia C. Hawkins博士和UAB微生物学系James L. Kizziah博士描述的原子模型显示了每种蛋白质的结构-用分子语言描述，如α -螺旋，β -螺旋，β -链，β -桶或β -棱镜。研究人员描述了每种蛋白质如何与同一蛋白质类型的其他副本结合，例如组成衣壳的六聚体和五聚体面，以及每种蛋白质如何与相邻的不同蛋白质类型相互作用。

电子显微镜使用一束加速电子照射物体，提供比光学显微镜高得多的分辨率。冷冻电子显微镜增加了超低温的元素，使其特别适用于大蛋白质、膜蛋白或含脂样品(如膜结合受体)的近原子结构分辨率，以及几个生物分子的复合物。

在过去的八年中，新的电子探测器使冷冻电子显微镜的分辨率比普通电子显微镜有了巨大的飞跃。这种所谓的冷冻电子显微镜“分辨率革命”的关键要素是:

• 在液态乙烷中快速冷冻的水样品冷却到零下256华氏度以下，而不是破坏样品并散射电子束的冰晶，水冻结成像窗户一样的“玻璃状冰”。

• 样品在显微镜下保持在超低温下，并使用低剂量的电子来避免对蛋白质的损伤。

• 极快的直接电子探测器能够以每秒数百帧的速度计数单个原子，允许样品的运动在飞行中进行校正。

• 先进的计算技术将成千上万的图像合并在一起，以生成高分辨率的三维结构。图形处理单元用于处理tb级的数据。

• 保存样本的显微镜台也可以在拍摄图像时倾斜，从而构建三维断层图像，类似于医院的CT扫描。

UAB研究人员对安得拉邦病毒粒子结构的分析始于230,714张粒子图像。衣壳、尾巴、远端尾巴和尾尖的分子重建分别从186,542、159,489、159,489和159,489张图像开始。分辨率范围从3.50埃到4.90埃。

文章标题

Structure and host specificity of Staphylococcus epidermidis bacteriophage Andhra