假单胞菌细菌病毒的结构生物学分析揭示了基因组喷射马达

研究人员描述了噬菌体DEV的完整分子结构。DEV感染并溶解铜绿假单胞菌，这是囊性纤维化和其他疾病的机会性病原体。DEV是临床前研究中用于根除铜绿假单胞菌感染的实验性噬菌体鸡尾酒的一部分。

　　

感染细菌的病毒是地球上最丰富的生物实体。例如，最近一项对美国浴室的92个莲蓬头和36把牙刷的简单研究发现了600多种细菌病毒，通常被称为噬菌体。一茶匙的沿海海水中大约有5000万个噬菌体。

虽然噬菌体基本上不被人注意，但它们对人类无害。相反，这些病毒作为消灭致病菌，特别是与抗生素耐药感染有关的致病菌的生物医学越来越受欢迎。

在《自然通讯》杂志上发表的一项研究中，伯明翰阿拉巴马大学的Gino Cingolani博士和意大利米兰degli Studi di Milano大学的Federica Briani博士描述了噬菌体DEV的完整分子结构。DEV感染并溶解铜绿假单胞菌，这是囊性纤维化和其他疾病的机会病原体。DEV是临床前研究中用于根除铜绿假单胞菌感染的实验性噬菌体鸡尾酒的一部分。

DEV的一个特殊特征是在感染后被排出到细菌的衣壳内存在3398个氨基酸的病毒粒子相关RNA聚合酶。出乎意料的是，Cingolani和Briani的研究揭示了病毒粒子相关RNA聚合酶是基因组喷射马达的一部分，当噬菌体利用其尾部纤维附着在假单胞菌的表面，并利用其尾部管穿透细胞的内外膜后，该马达将噬菌体的DNA从其头部拉出。

“我们假设DEV喷射装置的设计原则在所有的血吸虫病毒噬菌体中都是保守的，”Cingolani说。“截至2024年10月，已经对220多个血吸虫病毒科基因组进行了测序，并可在公共数据库中获得。由于这些基因组在很大程度上没有注释，许多开放阅读框架具有未知的功能，我们的工作为发现新的血吸虫病毒噬菌体时容易识别结构成分铺平了道路。”

Schitoviridae噬菌体家族“代表了一些生物学上最未被充分研究的细菌病毒，越来越多地用于噬菌体治疗，”Cingolani说。“我们正在使用结构生物学来破译构建模块并绘制基因产物。当氨基酸序列进化太快而无法进行常规系统发育分析时，这一点至关重要。”

研究人员使用低温电子显微镜，局部重建，生化方法和基因敲除来描述DEV的完整分子结构，其DNA基因组有91个开放阅读框架，其中包括巨型病毒粒子相关RNA聚合酶。“这个vRNAP是我们分析的所有血吸虫病毒基因组中保守的三个基因操纵子的一部分，”Cingolani说。“我们认为这三种蛋白质被喷射到宿主体内，形成一个跨越细胞包膜的基因组喷射马达。”

DEV和许多其他噬菌体的结构类似于尼尔·阿姆斯特朗1969年的月球着陆器的微型版本，有一个大的头部或衣壳，里面包含基因组和腿状纤维，当噬菌体降落在细菌表面时，它会支持噬菌体，准备感染活的细菌细胞。

研究人员确定了DEV中参与宿主附着的所有蛋白质衣壳因子和尾部成分的结构。通过基因实验，他们发现DEV长尾纤维是感染铜绿假单胞菌所必需的，而不是感染表面脂多糖缺乏O抗原的铜绿假单胞菌突变体所必需的。一般来说，作为感染的第一步，病毒附着在不同的细胞表面分子上。

虽然这项研究提供了几张噬菌体结构的静态图像，但研究人员并没有完全了解DEV感染的过程。他们设想了感染过程的三个步骤。

在第一步中，当单个DEV噬菌体在隔离中漂移时，其灵活的长尾纤维波动以提高接触假单胞菌脂多糖表面分子的机会。在第一次接触后，所有五根纤维都附着在一起，将噬菌体垂直地拴在细菌的外表面。

在第二步中，短尾纤维（也起到尾塞的作用）与假单胞菌的次级受体接触，机械信号释放尾塞。

到目前为止，gp73、gp72和gp71这三种蛋白质已经储存在噬菌体头部尾部附近，当它们离开噬菌体头部时，形状会发生巨大变化。在第三步中，当堵塞消失时，这三种蛋白质被排出体外，进入细菌的细胞包膜。铅蛋白gp73重新折叠其形状，形成一个中心中空的外膜孔。在它下面，gp72重新折叠成一个横跨假单胞菌外膜和内膜之间的中空管。最后，gp71穿过内膜，在细菌细胞质中重新折叠成一个大的RNA聚合酶马达，将噬菌体DNA通过中空的gp73和gp72通道拉入假单胞菌细胞。

Cingolani是生物化学和分子遗传学的教授，最近来到UAB领导新的综合结构生物学中心，该中心今年夏天得到了阿拉巴马大学系统董事会的批准。该中心将帮助UAB的研究人员研究生物大分子的三维结构，如蛋白质和核酸，以破译它们的功能和作用机制。

综合结构生物学试图可视化大分子如何发挥作用的完整电影，使用多种方法来观察分子结构以及它们如何相互作用。UAB综合结构生物学中心的主要重点将是研究与感染、炎症、免疫、癌症和神经变性相关的生物学问题。

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