作为生物圈中最为丰富的生物形式，噬菌体在塑造微生物多样性、介导基因交换和调控地球化学元素循环方面发挥着重要作用。长尾噬菌体（Siphoviridae）具有长而非收缩的尾巴，其通过一个头-尾连接模块与病毒的二十面体衣壳相连。Siphoviridae的尾巴装配过程和DNA递送机制涉及多种结构蛋白组分的复杂相互作用。由于噬菌体尾部的结构和遗传多样性，与噬菌体组装、感染和DNA传递相关的精确过程对于大多数噬菌体而言仍然是未知的。玫瑰杆菌是一类革兰氏阴性菌，通常占海洋细菌丰度的15-20%，在藻华期间可能更高，广泛分布于沿海、开阔大洋的表层、深层及沉积物中，在海洋氮、硫、碳和磷元素的生物地球化学循环中有重要作用，并对全球气候产生影响。感染玫瑰杆菌菌群的长尾玫瑰杆菌噬菌体（roseophage）同样在海洋中广泛存在，并被认为是影响玫瑰杆菌的生物学和生态学的主要生物因素。然而，目前对玫瑰杆菌噬菌体的结构知之甚少。

bet体育365官网正规夏宁邵教授团队与张锐教授团队合作，结合冷冻电镜技术和结构从头预测的方法，首次解析了一种玫瑰杆菌噬菌体vB_DshS-R4C（R4C）的完整结构。R4C噬菌体的头部呈现为T=7准二十面体结构，通过头-尾连接模块与一条非典型的长刚性尾部相连接。在头-尾连接模块中，研究团队首次报道了一种装饰着辅助免疫球蛋白样结构域的适配蛋白结构，推测它是由噬菌体间频繁的水平基因转移产生的结果，并与局部构象稳定性相关。利用分子模拟，研究团队表征了噬菌体尾管良好的结构弹性，阐明了尾管长而直的分子机制。在噬菌体刚性的尾管内负电荷分布的特定位置模式，为已报道的协助DNA传输的棘轮机制提供了新的证据。这些特性有助于DNA向宿主的快速易位。此外，研究团队在尾部末端发现了具有独特结构特征的病毒吸附装置，其与类噬菌体颗粒——荚膜红细菌的基因转移媒介（RcGTA）的尾部相似，这为GTA和噬菌体之间的进化相关性提供了进一步的证据。

图1.噬菌体R4C的完整结构

基于完整的R4C病毒粒子的原位结构及蛋白功能分析，研究团队初步提出了R4C噬菌体的DNA递送机制。R4C噬菌体首先通过多种特殊的受体结合域识别宿主，并利用尾部末端的三聚体纤维蛋白将病毒锚定至细菌外膜。随后，处于封闭状态的尾管通道被打开，Megatron蛋白的疏水N端螺旋暴露并插入细菌外膜形成跨膜孔，而尾部卷尺蛋白（TMP）则进入周质空间，穿过细菌的包膜形成跨越内膜的通道。TMP的释放进一步触发一系列结构（例如，门户蛋白隧道环）变化，最终启动基因组的易位。基因组被推入尾管通道，在尾管内表面的负电荷螺旋轨道及直管状结构的辅助下，穿过由TMP形成的通道被注射到宿主细菌中。总体而言，基于结构的研究使研究团队合理地推断每个结构蛋白组分的功能，并进一步表征这种在生态上具有重要作用的长尾噬菌体的DNA传递机制。

图2.R4C噬菌体的核酸释放机制

近日，该研究成果以题为“Structure and proposed DNA delivery mechanism of a marine roseophage”的研究论文在线发表于《自然•通讯》（Nature Communications）。国家中心博士生黄洋、博士生孙辉，厦门大学海洋与地球科学学院的博士生韦淑珍为该论文的共同第一作者。国家中心夏宁邵教授、李少伟教授、郑清炳高级工程师，厦门大学海洋与地球科学学院、深圳大学高等研究院张锐教授为该论文的共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。

     论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39220-y

  （国家传染病诊断试剂与疫苗工程技术研究中心）