Cell子刊：单分子噬菌体感染

加州理工学院的研究人员首次观察到了单个病毒通过导入自身DNA感染单个细菌的过程，并且对DNA转移速度进行了检测。该文章发表在Current Biology杂志的网站上。

　　

生物通报道：加州理工学院的研究人员首次观察到了单个病毒通过导入自身DNA感染单个细菌的过程，并且对DNA转移速度进行了检测。通过研究噬菌体感染细菌的过程，研究人员发现决定噬菌体DNA转移速度的是宿主细胞而非病毒遗传物质的量。该文章发表在Current Biology杂志的网站上。

“我们的实验能够观察单个病毒感染单个细菌的过程，”该研究的主要研究者，加州理工学院的生物物理学和生物学教授Rob Phillips说，“此前都是对大量的噬菌体和细胞进行研究而测得的感染速率，而用我们的方法可以实际观察到单个病毒排出DNA的过程。”

1952年在著名的Hershey-Chase实验中，冷泉港卡内基研究所的Alfred Hershey和Martha Chase利用噬菌体证明了细胞中的遗传物质是DNA而不是蛋白质。噬菌体能通过包裹在蛋白质外壳内的DNA感染细菌。Hershey 和Chase对噬菌体的硫元素（只存在于蛋白外壳而非DNA中）和磷（只存在于DNA而非蛋白中）元素进行了放射性标记了。然后用这些噬菌体感染细菌。将细菌分离并进行分析发现，细菌中只含有放射性的磷，证明DNA的确是遗传物质。该结果也说明，噬菌体与感染人类的病毒不同，只将其遗传物质转入宿主细菌，而将“身体”留在外面。不过，到目前为止噬菌体DNA转移的详细机制依然是个谜

有理论认为DNA在病毒内受到了较大的压力。实际上也有研究显示噬菌体遗传物质在其、蛋白外壳中比在体外溶液中受到的压力更大。Phillips说：“毕竟在50纳米见方的外壳中包裹了16微米的DNA。相当于要把金门大桥上的500米缆绳装入快递车的后备箱。”

Phillips的团队希望了解这种压力是否在DNA转移过程中起主要作用。研究人员将基因组大小不同的两种λ噬菌体的DNA进行荧光染色，然后通过荧光显微镜观察了这两种噬菌体DNA转入E. coli菌体的过程。研究人员发现噬菌体DNA的平均排出时间为约5分钟，并且DNA转入不同细胞的时间也存在差异。

这与此前体外实验的结果差异很大，噬菌体将DNA排入溶液中只需要不到10秒。而且当大基因组的噬菌体排出一定DNA，使其内部DNA长度与小基因组噬菌体DNA长度相当时，这两种噬菌体排出DNA的速度相同。因此当时研究人员推断，是噬菌体内DNA的含量决定了DNA转移的速度。

显然，体外实验中的规律在细胞中并不适用。E. coli约1微米见方的细胞内含有约3百万蛋白，蛋白之间距离小于10纳米。“细胞太拥挤了，几乎没有地方留给别的东西” Phillips说。

因此当噬菌体试图将DNA转入细胞时，限制DNA转移速度的主要因素是细胞内的拥挤程度。在这种情况下，噬菌体DNA转移速度与宿主的关系更大。

未来，研究人员将用文中的方法研究多种噬菌体，并对能协助拉病毒DNA进入细胞的分子进行研究。例如已有研究显示，T7噬菌体的DNA在还未完全进入细胞时，在宿主细胞内的病毒DNA就已经开始了复制。

细胞生命的很多活动都与分子跨膜有关，而Phillips团队的这一研究正是大分子跨膜的基础，能帮助科学家进一步研究DNA和蛋白质等生物大分子的跨膜机制。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

A Single-Molecule Hershey–Chase Experiment

Ever since Hershey and Chase used phages to establish DNA as the carrier of genetic information in 1952, the precise mechanisms of phage DNA translocation have been a mystery [1]. Although bulk measurements have set a timescale for in vivo DNA translocation during bacteriophage infection, measurements of DNA ejection by single bacteriophages have only been made in vitro. Here, we present direct visualization of single bacteriophages infecting individual Escherichia coli cells. For bacteriophage λ, we establish a mean ejection time of roughly 5 min with significant cell-to-cell variability, including pausing events. In contrast, corresponding in vitro single-molecule ejections are more uniform and finish within 10 s. Our data reveal that when plotted against the amount of DNA ejected, the velocity of ejection for two different genome lengths collapses onto asingle curve. This suggests that in vivo ejections are controlled by the amount of DNA ejected. In contrast, in vitro DNA ejections are governed by the amount of DNA left inside the capsid. This analysis provides evidence against a purely intrastrand repulsion-based mechanism and suggests that cell-internal processes dominate. This provides a picture of the early stages of phage infection and sheds light on the problem of polymer translocation.