清華大學醫(yī)學院向燁研究組《自然》在線發(fā)文揭示細菌病毒突破宿主細胞膜新機制

清華新聞網6月17日電 6月15日，清華大學醫(yī)學院向燁研究組于在《自然》（Nature）雜志在線發(fā)表題為“噬菌體φ29尾部蛋白含有一段用于穿透細胞膜的孔道形成環(huán)絆”（“The bacteriophage φ29 tail knob protein possesses a pore-forming loop for cell membrane penetration”）的論文，揭示細菌病毒突破宿主細胞內膜新機制。論文通過對細菌病毒φ29尾部蛋白gp9（gene protein 9）結構及生化研究，發(fā)現(xiàn)病毒利用gp9的一段疏水性肽段在宿主細胞膜上形成孔道，并通過其注射基因組DNA入宿主細胞內。

左圖：噬菌體φ29尾部蛋白gp9晶體結構與成熟噬菌體病毒顆粒冷凍電鏡三維重構結果擬合示意圖，其中紅色部分為具有形成孔道性質的疏水性肽段（L loop）；右圖：經過酸誘導DNA釋放后噬菌體冷凍電鏡三維重構尾部結構以及根據(jù)電子密度模擬搭建的gp9結構。可以看到在酸誘導DNA釋放后，L loop能夠從gp9形成的通道中翻轉出來形成獨立新的孔道結構。

細菌病毒（又名噬菌體）φ29屬于雙鏈DNA病毒，其通過自身的非收縮性短尾特異性侵染宿主枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）。屬于革蘭氏陽性菌的枯草芽孢桿菌由細胞壁和細胞質膜包裹，幫助自身抵御外界干擾及病毒入侵。噬菌體首先需要克服細胞壁和細胞膜的阻礙，才能將遺傳物質注入宿主進行復制和重新組裝。φ29及其它大多數(shù)噬菌體通過尾部蛋白肽聚糖水解酶對細胞壁進行局部水解而突破細胞壁。然而，科學界對于噬菌體突破細菌細胞質膜并釋放其遺傳物質到宿主體內的機制知之甚少。

通過比較噬菌體φ29尾部末端蛋白gp9全長和突變體gp9△417-491的晶體結構，向燁研究組發(fā)現(xiàn)gp9蛋白能夠形成六聚體通道結構。相對于gp9△417－491，全長gp9通道內部被一段疏水性肽段（L loop）所填充。在φ29感染過程中，這段疏水性肽段必須從gp9通道中釋放出來，病毒DNA才能通過通道注入宿主細胞。對該肽段氨基酸同源序列搜索發(fā)現(xiàn)，該肽段與HIV病毒及流感病毒的融合肽段（fusion peptide）氨基酸序列性質相似。這說明φ29的這段疏水性肽段很可能與細胞膜作用。比較噬菌體φ29在DNA釋放前后的尾部通道結構的冷凍電鏡三維重構結果，發(fā)現(xiàn)DNA釋放后，該疏水性肽段能夠從gp9形成的通道內部翻轉，在尾末端形成一個獨立的新的孔道。當與脂質體混合并經過酸處理誘導DNA釋放后，通過冷凍電鏡觀察到噬菌體φ29整齊排列在脂質體周圍，且脂質體內部有噬菌體DNA。電鏡重構結構顯示尾部新暴露出的疏水肽段插入脂質體上形成跨膜孔道供DNA通過。這一以形成跨膜孔道突破細胞膜的機制與一些真核病毒如腺病毒類似，表明雖然真核病毒和原核病毒在形態(tài)結構及入侵機制上有著較大區(qū)別，針對同一障礙的趨同進化過程使得它們形成類似的機制克服宿主細胞膜障礙。

此項工作由醫(yī)學院向燁研究組獨立完成。向燁博士為論文通訊作者，2013級博士生許靖蔚為第一作者，研究組學生桂淼、2014級博士生王點紅參與了該項工作。該研究得到我國973項目、國家自然科學基金、感染性疾病診治協(xié)同創(chuàng)新中心和北京清華大學結構生物學高精尖創(chuàng)新中心的大力支持，同時也得到上海同步輻射設施及國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地在數(shù)據(jù)收集上的大力支持。

論文鏈接：http://links.ealert.nature.com/ctt?kn=17&ms=NTE2MTQ3MDgS1&r=MTE0MDgwOTI1NjU2S0&b=2&j=OTQyMTg2NTAyS0&mt=1&rt=0

供稿：醫(yī)學院 編輯：李華山