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本文聚焦于长尾噬菌体（Siphophages）尾丝结构。通过对比 8 种尾丝的电镜结构，揭示其共同构建模块，尤其是尾尖组织。阐述了 T5 和 λ 尾丝与受体结合后的构象变化及 DNA 释放机制，还对受体结合蛋白进行分类，为噬菌体研究提供重要参考。
引言
长尾噬菌体（Siphophages）是一类具有长且非收缩性尾丝的噬菌体，在已知噬菌体中占比约 56%，在有尾噬菌体（Caudoviricetes）中占比约 66% 。其名称源于希腊前缀 “σ??ων (siphōn)”，意为 “管”，尾丝长且灵活，这使其区别于具有长收缩性尾丝的肌尾噬菌体（myophages）和短尾噬菌体（podophages）。长尾噬菌体尾丝的组装与含基因组的衣壳组装相互独立，成熟病毒粒子中，尾管连接近端衣壳和远端尾尖。尾尖结构多样，有的有中央直纤维，如 T5、λ；有的则是密集堆积的基板，带有小突起或尖刺，如 JBD30、R4C、χ、80α、TP901 - 1、p2 。
近年来，冷冻电镜（cryo - EM）和软件技术的进步，使得多个长尾噬菌体或其尾丝得以近原子水平的表征，并揭示了受体结合后的结构重排，推动了该领域的发展。尾尖的保守和特殊蛋白质结构域，可特异性识别宿主，使尾管靠近细菌表面，并部分重排，为 DNA 注入宿主细胞质提供通道。本文旨在分析和比较长尾噬菌体尾丝的闭合和开放构象，从分子层面理解其结构和功能的异同。
天然长尾噬菌体尾丝
一般考量
噬菌体结构蛋白的编码基因通常按保守顺序排列，反映了编码蛋白在噬菌体中的空间排列。尽管噬菌体蛋白之间没有序列同源性，但结构具有保守性。尾丝由常见尾管结构域（TTD）的六聚体环堆叠而成，该结构域存在于长尾噬菌体和肌尾噬菌体的核心蛋白中，包括尾端终止蛋白、尾管蛋白（TTP）、远端尾蛋白（Dit）和基板枢纽蛋白（BHP），后两者构成基板核心。两个连续的 TTD 结构域可由同一条多肽链携带，形成六聚体或三聚体环，并可被多种不同结构域修饰。本文采用 Davidson 等人提出的蛋白质命名法，以强调长尾噬菌体和肌尾噬菌体之间的结构和遗传共性。
尾管
在尾丝近端，尾端终止蛋白环将尾丝与噬菌体衣壳相连，其结构在长尾噬菌体中具有保守性。部分噬菌体还编码尾完成蛋白。长尾噬菌体尾管长度通常在 50 - 200nm，最长可达 1μm 。它由 TTP 六聚体环堆叠而成，酸性残基有助于引导和促进 DNA 通过管腔快速转运。尾丝长度由测量蛋白（TMP）决定，TMP 以卷曲螺旋形式贯穿管腔，但由于其与管腔相互作用较弱，结构难以解析，可能在感染时自发排出。在一些长尾噬菌体尾丝结构的基板中，TMP 的 C 末端被解析为位于封闭尾管底部的保守三聚体卷曲螺旋，但在管内其化学计量可能为六聚体。TMP 可能参与 DNA 向宿主细胞质的传递，也是一些抗噬菌体因子的作用靶点。在 T5 和 λ 中，TMP 在尾丝组装过程中被切割，产生大的 N 端肽和小的 C 端肽，其他噬菌体中 TMP 的切割情况尚未研究。
尾尖
基板模块位于尾丝远端，由 Dit、BHP 和相关蛋白组成环。Dit 以六聚体或三聚体形式延续尾管，除 λ 外，已解析的 Dit 结构都有一个装饰结构域，可作为受体结合蛋白（RBP）尖刺或纤维的锚定位点，部分 RBP 还具有水解活性。在 T5 中，额外的蛋白在最后一个 TTP 环和 Dit 环之间形成一个无装饰的环，周围有一个衣领结构，锚定三条侧尾纤维。在 λ 中，野生型菌株的侧尾纤维和衣领可能附着在 Dit 周围，而实验室菌株因 Stf 基因突变失去了这些结构 。
BHP 封闭尾管，在已解析的尾丝结构中，其始终显示 C3 对称性。在感染革兰氏阳性菌的长尾噬菌体和 T5 中，BHP 是同型三聚体；在感染革兰氏阴性菌的噬菌体中，BHP 是异型三聚体，由两个或三个多肽组成，如 λ 中的 gpL、gpI 和 gpJ 。BHP 的核心结构与肌尾噬菌体的 BHP 相同，由四个枢纽结构域（hd）组成，hdI 和 hdIV 延续尾管，hdII 和 hdIII 构成保守尾尖核心的远端部分。感染革兰氏阴性菌的噬菌体还具有两个额外的核心结构域：一个小结构域参与亚基间相互作用，在含有 gpL 样亚基的噬菌体中结合 Fe - S 簇；另一个是 hdII 插入结构域，有助于封闭尾管。BHP 核心结构可被潜在的受体结合结构域（RBD）修饰，这些 RBD 可能具有水解活性。尾管由塞子结构域或分散的环和末端封闭，已解析的 TMP C 末端位于其上方。在 R4C 中，“Megatron”（BHP）的 N 末端以 “虹膜” 螺旋形式封闭尾管，与其他噬菌体中 TMP C 末端位置重叠，但 R4C 中 TMP C 末端未被解析。在所有感染革兰氏阴性菌的长尾噬菌体结构中，保守的连接子将 hdIV 与纤连蛋白 III 型结构域（FNIII）相连，将封闭尾管的基板模块与延伸模块连接起来，连接子埋在两个 BHP 亚基之间，稳定尾管的封闭构象。感染革兰氏阳性菌的噬菌体 80α 和 TP901 - 1 中，没有 hdII 插入结构，80α 中 α 螺旋作为与延伸模块的连接，而 p2 中未观察到类似结构。
延伸模块在 T5 和 λ 中形成中央纤维，由连续的 FNIII、β 尖刺和 RBD 组成。T5 的延伸模块由三种不同蛋白质组成，λ 中只有 gpJ 蛋白携带这些结构域，且 FNIII 通过 α 螺旋轴（AHS）与 β 尖刺分开。T5 有独特的 RBP，结合单体的外膜（OM）转运蛋白 FhuA；λ 有三个 RBD，识别三聚体孔蛋白 LamB 。其他六种噬菌体的延伸模块带有各种潜在的 RBD 和 / 或水解酶活性，它们识别碳水化合物，具有多个 RBP 和庞大的基板，这可能是因为 RBD 与碳水化合物的相互作用较弱，需要增加噬菌体与宿主相互作用的价态来确保吸附 。
长尾噬菌体尾丝与受体相互作用后的开放机制
一般考量
对于肌尾噬菌体和其他收缩性尾状细菌机器，收缩构象与天然粒子结构一起确定，自发或经尿素处理后的收缩构象与与细胞表面相互作用后的构象相似。但对于长尾噬菌体，只有在噬菌体与受体相互作用后，才能获得相关的 “开放” 构象尾丝结构，如 T5 和 λ 尾丝。体外实验中，尾丝与受体相互作用导致尾尖开放、TMP 排出和 DNA 释放。在分子水平上，尾端终止蛋白、TTP 和 Dit 的结构没有变化，但尾尖发生显著构象变化，BHP 打开尾管，中央纤维向一侧弯曲，使尾管靠近细胞膜。
接近细胞膜
T5 与受体 FhuA 结合后，RBP 从无序到有序的转变对 β 尖刺产生微妙的约束。λ 的三个 RBD 与受体 LamB 结合后，三个结构域发生相对旋转，也对 β 尖刺产生约束。在这两种情况下，这些约束沿 β 尖刺放大，导致 T5 中 β 尖刺与 FNIII 之间的连接子、λ 中 β 尖刺与 AHS 之间的连接子被拉动，从而解除 FNIII 或 AHS 之间的紧密相互作用，导致纤维在 β 尖刺 - FNIII 铰链处弯曲，FNIII 结构域围绕 β 尖刺重新组织。纤维弯曲使尾管更接近外膜，尽管 T5 和 λ 的纤维长度不同（T5 约 41nm，λ 约 30nm），但弯曲都发生在各自纤维的中间位置，使尾管与外膜的距离非常相似。
尾管开放
T5 和 λ 中，中央纤维弯曲拉动连接延伸模块和基板模块的连接子，破坏稳定相邻 BHP 亚基的相互作用网络，使 hdIII、hdII 和 hdII 插入结构域向外刚性移动，破坏与塞子的相互作用，从而打开尾管。随后发生大的构象变化：在 T5 中，塞子展开成 β 发夹结构，其尖端由三个疏水残基组成，浸入外膜外叶，两侧是带正电的残基，可与外膜脂多糖（LPS）的磷酸基团相互作用；大的 TMP?多肽 C 末端插入两个 BHP 亚基之间的裂隙，然后通过疏水螺旋插入外膜，形成跨膜通道 。在 λ 中，BHPgpJ的 N 末端向细胞膜摆动，其带正电的残基与 LPS 磷酸基团相互作用；BHPgpI的塞子展开并向外膜旋转，使尾管打开，H1 / H2 疏水螺旋插入外膜形成跨膜通道，BHPgpI的 C 末端与 BHPgpJ的 hdII 插入结构域紧密结合 。在这两种情况下，形成外膜通道的蛋白质都牢固地锚定在尾管上，尾管还通过强 RBP 受体结合和浸入 LPS 外叶的 BHP “腿” 锚定在外膜上。T5 在纳米盘中可见通道，而 λ 中不可见，这可能是因为 FhuA 是单体，其膜横截面小于三聚体 LamB，在纳米盘中为 BHP 和 TMP 通道插入留下了脂质斑块。
T5 和 λ 中，分别在 TMPpb2Cter和 gpK 中提出了肽聚糖活性，这些蛋白质可能通过外膜通道进入周质。由于噬菌体 DNA 受到保护，免受周质核酸酶的影响，有人提出 TMP 形成跨周质和内膜的通道，但这些假设需要进一步证实。
结论
感染革兰氏阴性菌的噬菌体尾尖结构都有基板模块，通过保守的连接子与延伸模块相连，这种结构保守性表明感染触发和尾管开放机制相似。当延伸模块的结构域或亚基感知到膜元件（外膜蛋白、LPS 脂质 A 部分等），确保与宿主膜接近时，延伸模块的构象变化会拉动连接子，撬开尾管尖端，暴露插入膜的元件，从而触发感染。
对于感染革兰氏阴性菌的噬菌体，受体结合蛋白（RBPs）可分为两类：一类与基板模块相连，决定宿主特异性，协助吸附和噬菌体在外膜上的正确定向；另一类与延伸模块相连，可称为 “膜感应模块”，识别膜元件，触发尾管开放和细胞壁穿孔，促使噬菌体感染。例如，JBD30 通过 Dit 连接的侧尾纤维结合菌毛，实现宿主特异性识别，但不会触发 DNA 释放，只有在菌毛收缩，延伸模块三脚架 RBP 的足部结构域与膜相互作用后，才会感知膜的接近，触发尾丝开放。在 T5 和 λ 中，RBP / RBDs 兼具宿主特异性和感染触发的作用，侧尾纤维可提高吸附率，调节宿主范围。
对于感染革兰氏阳性菌的噬菌体，80α 和 TP901 - 1 可能存在类似的膜感应触发机制，其 BHP 的 C 末端带有多糖结合结构域，直接与蛋白质的封闭元件相连。而 p2 的感染触发机制则完全不同。在感染革兰氏阴性菌和阳性菌的噬菌体中，基板和延伸 / 膜感应模块通常也具有酶活性，可选择性消化厚的肽聚糖 / LPS / 荚膜层，使尾管靠近细胞膜。对于有中央纤维的噬菌体，如 T5 和 λ，中央纤维在侧尾纤维的协助下，可穿过 O 抗原层到达细胞膜，无需多糖消化，但需要纤维弯曲使尾管靠近外膜。
目前，我们有望获得更多长尾噬菌体尾丝结构，包括与受体相互作用后的结构，这将有助于揭示更多感染机制，为噬菌体工程奠定基础。由于结构预测软件难以准确预测这些大分子组装体的复杂结构，以及受体结合引起的大的构象变化，因此还需努力识别和表征受体，确定触发 DNA 释放的必要和充分元件，以解决精确的感染机制和噬菌体在体内的行为，同时关注长尾噬菌体尾丝的变化如何影响其在更复杂环境中的行为。
