《Cell》原子分辨率揭示分枝杆菌噬菌体Bxb1的结构与感染动态机制

《Cell》：Structure and infection dynamics of mycobacteriophage Bxb1

本期推荐：研究人员通过冷冻电镜(cryo-EM)和冷冻电子断层扫描(cryo-ET)技术，首次解析了分枝杆菌噬菌体Bxb1的全原子结构，揭示了其衣壳尾部连接处的对称性错配机制及感染过程中的构象变化，为开发抗结核病噬菌体疗法和疫苗平台提供了关键结构基础。该研究发表于《Cell》期刊，对理解噬菌体穿越复杂分枝杆菌细胞壁的机制具有里程碑意义。

　　

在抗结核病治疗面临多重耐药挑战的背景下，分枝杆菌噬菌体因其特异性裂菌能力被视为潜在治疗手段。然而，这些病毒如何穿越分枝杆菌特有的复杂细胞壁（含分枝菌酸、海藻糖分枝酸酯等成分构成的"分枝膜"）一直是未解之谜。传统结构研究方法难以捕捉感染过程中的动态变化，制约着噬菌体疗法的理性设计。

美国匹兹堡大学与斯克里普斯研究所的研究团队选择模式噬菌体Bxb1作为研究对象。该噬菌体属于A1基因组簇，具有双链DNA和长柔性尾部，已被广泛用作生物技术工具。研究人员通过整合冷冻电镜单颗粒分析(SPA)和冷冻电子断层扫描技术，结合冷冻聚焦离子束(cryo-FIB)研磨制备感染样本，首次实现了从静态结构到动态感染过程的全方位解析。

关键技术包括：1) 高纯度噬菌体颗粒的分离与质谱鉴定18种结构蛋白；2) 2.71 ?分辨率的衣壳对称性重建与3.17 ?局部不对称重构；3) 感染状态下通过cryo-FIB制备150-200 nm薄片样本；4) 11.7-12.6 ?分辨率的亚断层图平均技术追踪构象变化；5) 糖微阵列分析尾部蛋白与宿主细胞壁多糖的相互作用。

结构解析方面，研究揭示了三个突破性发现：

1. 衣壳特殊装饰：Bxb1衣壳蛋白(gp14)和尾管蛋白(gp19)均携带C端延伸结构域(CTE)，在衣壳表面形成免疫显性表位。这些CTE通过二聚体界面稳定衣壳，解释了此前疫苗改造中CTE替换失败的原因。

2. 对称性适应机制：首次观察到门户蛋白(gp11)十二聚体与衣壳五聚体顶点结合的分子细节。通过β-折叠翼域的重构，10个门户亚基与衣壳形成氢键，剩余2个亚基采用缩小界面，实现5-12对称性过渡。连接复合体中适配器(gp15)、终止器(gp18)等蛋白形成多层级对称性错配结构。

3. 动态感染过程：cryo-ET捕捉到尾部尖端从"预感染"到"膜嵌入"状态的转变：尾部笼蛋白(gp23)展开成平面圆盘，基板枢纽(gp25)打开DNA释放通道。特别发现尾部翼基蛋白(gp30)含FN3样糖结合域和D-ala-D-ala羧肽酶域，能特异性结合阿拉伯半乳聚糖，为穿越细胞壁提供酶解功能。

讨论部分强调，该研究首次建立了分枝杆菌噬菌体"结构-功能"的全景图谱：1) CTE结构为多价疫苗设计提供新思路，但需解决表位展示的空间限制；2) 尾部尖端重构机制解释了宿主特异性决定因素，gp25和gp29是潜在的宿主范围调控靶点；3) 比较基因组显示仅26%相关噬菌体具有尾管CTE，而gp30仅存在于部分基因组簇，反映进化多样性。这些发现为噬菌体"尾部零件"工程化改造提供了结构蓝图，将加速抗结核噬菌体鸡尾酒疗法的开发。

该研究的创新性体现在技术方法的突破：通过cryo-FIB克服了分枝杆菌厚细胞壁的成像障碍，首次实现原位感染过程可视化。局限性在于cryo-ET分辨率限制了对膜穿透过程的原子级观察，未来需结合时间分辨技术。论文提出的"对称性适应-构象变化-酶解穿透"三阶段感染模型，为理解革兰阳性菌噬菌体的宿主侵入机制树立了新范式。