志贺氏菌噬菌体Sf11的尾部结构及其宿主附着机制

《Journal of Virology》：The Shigella siphophage Sf11 tail structure and host attachment mechanism

噬菌体Sf11的冷冻电镜结构解析表明其具有icosahedral capsid和长非收缩尾，尾尖含有六个P22-like尾丝蛋白三聚体，通过DTP（gp17）的适配域与尾管蛋白（TTP，gp24）及基板蛋白（BHUB1/2，gp16/gp14）组装。质谱鉴定显示Sf11成熟病毒包含gp39（主要衣壳蛋白）、gp42（门蛋白）、gp13（尾丝蛋白）等关键组分。宿主范围研究证实尾丝蛋白通过识别宿主LPS的O抗原实现感染，且无特定吸附位点偏好。该结构揭示了长尾噬菌体与短尾噬菌体在尾丝蛋白利用上的进化关联，为设计靶向噬菌体提供了结构基础。

　　近年来，细菌噬菌体（phages）作为研究宿主-病毒相互作用的重要工具，其结构和功能的解析为理解病毒如何识别和感染宿主提供了关键线索。特别是在对志贺氏菌（*Shigella*）噬菌体的研究中，尽管已有大量关于其基因组和生物学特性的工作，但关于其结构的报道却极为有限。这一研究领域的重要性在于，志贺氏菌是引起细菌性痢疾的主要病原体，而噬菌体因其在基因治疗、抗菌药物开发以及生物技术中的潜在应用，成为研究的热点。因此，解析志贺氏菌噬菌体的结构不仅有助于揭示其感染机制，还可能为新型噬菌体疗法提供理论依据。

本文研究了志贺氏菌噬菌体Sf11的结构，这是一种属于siphophage类的噬菌体，其尾部结构具有较长且非收缩的特点。通过低温电子显微镜（cryo-EM）技术，研究人员首次获得了Sf11整个病毒颗粒的高分辨率图像，并对其尾部结构和尾尖蛋白进行了详细分析。Sf11的尾部由多个关键蛋白组成，包括尾管蛋白（Tail Tube Protein, TTP）、远端尾蛋白（Distal Tail Protein, DTP）、基座蛋白（Baseplate Hub Proteins, BHUB1和BHUB2）以及测距蛋白（Tape Measure Protein, TMP）。这些蛋白构成了噬菌体尾部的核心结构，而尾尖则装饰有六种类似的三聚体尾刺蛋白（tailspike protein），其结构与Sf6样噬菌体（如Sf6和P22）相似。此外，研究人员还通过质谱分析确认了这些蛋白在成熟病毒颗粒中的存在，并构建了其原子模型。

Sf11的尾部结构与已知的siphophage噬菌体相比，显示出一些独特的特征。其中最显著的是尾尖的装饰蛋白，这些蛋白不仅有助于噬菌体与宿主的结合，还可能在感染过程中起到重要作用。通过电子显微镜观察，研究人员发现Sf11能够广泛地附着在志贺氏菌细胞表面，而非特异性地集中在细胞极或某些特定的膜结构上。这一特性表明，Sf11可能利用一种更通用的机制来识别和感染宿主，而不仅仅依赖于特定的受体蛋白。这种广泛的附着能力可能与其尾刺蛋白的结构和功能密切相关，因为尾刺蛋白通常与宿主的特定成分（如脂多糖LPS）结合，从而启动感染过程。

进一步的实验显示，Sf11的感染依赖于宿主细胞的脂多糖（LPS），而与某些外膜蛋白（如OmpA、OmpC、OmpF）无关。这一发现与Sf6的感染机制相似，后者也利用LPS作为主要受体。然而，Sf11的尾刺蛋白在结构上与Sf6类似，但其宿主范围和感染机制可能存在差异。例如，Sf6在某些情况下可以利用多种受体，包括LPS和外膜蛋白，而Sf11似乎主要依赖LPS。这一差异可能反映了不同噬菌体在进化过程中适应了不同的宿主环境，或者其尾刺蛋白的结构和功能在宿主识别方面具有更高的灵活性。

研究还揭示了Sf11尾部结构中的一种适应性机制。DTP（gp17）蛋白在尾部末端形成一个六聚体环，并通过其C端的延伸部分与尾刺蛋白（gp13）相互作用。这种结构不仅帮助尾刺蛋白附着在尾部末端，还可能在解决尾部与尾尖之间的对称性差异方面发挥作用。例如，Sf11的尾部具有C3对称性，而尾尖则具有C6对称性，这种对称性差异可能通过DTP的延伸部分进行协调。这种机制在其他噬菌体中也有类似表现，如噬菌体T5和P22，它们的尾部末端也具有类似的结构特征。因此，Sf11的尾部结构可能代表了一种更为普遍的噬菌体感染机制，尤其是在志贺氏菌噬菌体中。

此外，Sf11的尾刺蛋白在结构和功能上与Sf6的尾刺蛋白高度相似。Sf6的尾刺蛋白在感染过程中起着关键作用，能够特异性地识别宿主的O抗原，并通过酶解作用破坏LPS，从而促进病毒进入宿主细胞。Sf11的尾刺蛋白同样具有类似的酶活性，可能在感染过程中起到相似的作用。然而，由于Sf11的尾部结构与Sf6不同，其尾刺蛋白的组装方式可能也有所区别。例如，Sf11的尾刺蛋白通过DTP的适配域与尾部连接，而Sf6的尾刺蛋白则直接与尾部末端结合。这种差异可能反映了噬菌体在进化过程中对宿主识别机制的优化，也可能为噬菌体的工程化改造提供了新的思路。

从进化角度分析，Sf11的尾部结构与Sf6、P22等噬菌体的相似性表明，这些噬菌体可能共享某些基因或结构模块。例如，DTP蛋白在不同噬菌体中可能具有类似的进化路径，尽管其序列相似性较低，但其结构功能却高度一致。这种现象可能与水平基因转移（horizontal gene transfer）有关，因为噬菌体在进化过程中经常通过水平基因转移获取新的基因或蛋白，从而适应不同的宿主环境。因此，Sf11的尾部结构可能是在与其他噬菌体的基因交换过程中形成的，这为噬菌体的多样性和适应性提供了重要的解释。

从应用角度来看，Sf11的尾部结构可能具有重要的工业和治疗价值。由于其尾刺蛋白具有高度的特异性，可以被设计用于靶向特定的细菌种类，例如志贺氏菌。此外，Sf11的广泛附着能力也使其成为一种潜在的通用噬菌体工具，能够感染多种宿主细胞。这种特性可能在噬菌体疗法中发挥重要作用，特别是在对抗多重耐药菌株时。例如，通过改造Sf11的尾刺蛋白，可以使其特异性地识别并感染特定的细菌类型，从而提高噬菌体疗法的靶向性和有效性。

然而，Sf11的结构解析仍然存在一些挑战。例如，尾部的某些区域由于其结构的灵活性，难以在低温电子显微镜下获得高分辨率的图像。这导致研究人员无法完全解析尾部的某些部分，如尾部连接区域和部分尾刺蛋白的侧链结构。此外，DTP蛋白的C端延伸部分功能尚不明确，可能涉及与宿主细胞的相互作用或其他尚未发现的机制。因此，未来的研究需要进一步结合其他技术，如冷冻电镜的高分辨率成像、分子动力学模拟以及功能实验，以更全面地理解Sf11的结构和功能。

总的来说，Sf11的结构研究为志贺氏菌噬菌体的生物学特性提供了新的视角。其尾部结构不仅与已知的siphophage噬菌体相似，还表现出一些独特的特征，如尾刺蛋白的装饰方式和广泛的附着能力。这些发现不仅有助于理解噬菌体的进化机制，还可能为噬菌体的工程化应用提供新的思路。随着低温电子显微镜技术的不断发展，未来有望解析更多志贺氏菌噬菌体的结构，从而揭示其感染机制的多样性，并推动噬菌体在医学和工业领域的应用。