揭示杆状病毒核衣壳DNA门户组织与环状双链DNA包装机制的高分辨率冷冻电镜研究

本研究针对杆状病毒核衣壳组装机制不明的关键问题，通过冷冻电镜技术结合从头建模和AlphaFold预测，首次解析了Autographa californica多核多角体病毒（AcMNPV）核衣壳全结构。研究团队鉴定了顶端帽结构中DNA门户的C21对称性冠部结构，发现其含有疑似马达蛋白Ac66，并揭示了Ac101/Ac144模块通过构象可塑性介导不同环状对称组装的分子机制。该成果为理解环状dsDNA病毒基因组包装提供了首个结构模型，对生物农药开发和基因治疗载体优化具有重要指导意义。

　　

在昆虫种群调控和生物技术领域，杆状病毒（Baculovirus）因其独特的双相感染周期和高效蛋白表达能力，已成为生物农药开发和基因治疗载体的重要工具。然而，这种拥有134kbp环状双链DNA（dsDNA）基因组的病毒，其核衣壳组装机制特别是DNA包装过程长期笼罩在迷雾中。传统观点认为，类似噬菌体和疱疹病毒，杆状病毒可能依赖能量驱动的分子马达将基因组泵入预组装的核衣壳，但关键的结构证据始终缺失。

欧洲分子生物学实验室（EMBL）的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，通过冷冻电镜（cryo-EM）技术以3?分辨率解析了AcMNPV出芽型病毒粒子（BV）的完整核衣壳结构。研究采用单颗粒冷冻电镜重建技术，从感染昆虫细胞中直接纯化BV颗粒，通过8个独立的3D重构体积分析，结合AlphaFold预测和Modelangelo自动建模，首次揭示了病毒顶端DNA门户的四层同心圆结构及其独特的对称性错配特征。

研究最引人注目的发现是顶端帽结构的精细组织。与基部C₇对称的封闭结构不同，顶端呈现复杂的非对称组装：最外层C₁₄锚定环（anchor-1）包含新鉴定的蛋白酪氨酸磷酸酶（PTP）和Ac66二聚体；向内依次为C₁₄锚定环（anchor-2）、伪C₈对称的Ac101/Ac144模块组成的C₂插塞，以及最内层的C₂₁对称冠部结构。其中C₂插塞中两个Ac54二聚体通过精氨酸簇固定58bp的dsDNA片段，首次在结构上证实了顶端作为DNA包装通道的功能。

Ac101/Ac144模块展现出惊人的构象可塑性。研究团队在四种不同对称性环境中（基部C₁₄环、顶端C₁₄环、基部C₇插塞和顶端伪C₈环）解析了该异源二聚体的结构，发现其通过N端α螺旋的构象变化（如Ac144的S38-L39扭结）和β-片层扩增机制，能动态适应从C₂到C₂₁的对称性要求。这种"分子变形金刚"特性解释了核衣壳两极结构的差异：基部锚定环通过Ac98稳定为封闭的C₇插塞，而顶端则因Ac54/DNA复合物的介入重组为开放的C₂结构。

C₂₁冠部结构的解析为DNA包装机制提供了关键线索。该结构由42个Ac66 N端结构域与Ac101/Ac102异源二聚体组成，通过长柔性连接子与下层结构偶联。特别值得注意的是，Ac66与PTP的相互作用暗示其可能作为分子马达参与基因组转运——PTP的ATP水解活性可能为Ac66提供能量，这与疱疹病毒DNA包装马达的ASCE（Additional Strand Conserved Glutamate）P-loop ATPase机制相呼应。研究推测，coprime特性的C₂₁/C₂对称性错配（21与2互质）可减少摩擦阻力，促进DNA螺旋推进。

这项研究不仅填补了杆状病毒结构生物学的空白，更提出了全新的环状dsDNA病毒包装模型：病毒基因组通过Ac54标记的嘌呤富集区识别预组装的核衣壳，诱导顶端结构从C₇向C₂对称转变；随后由Ac66/PTP/GTA（Global Transactivator）组成的复合体通过"螺旋-平面"转换机制将共价闭合环状DNA（cccDNA）泵入衣壳；包装完成后，依赖DNA存在的马达组件解离回收。该机制为改造杆状病毒载体提供了精确的分子靶点，例如通过调控Ac54的DNA结合域可优化转基因装载效率，而修饰Ac101/Ac144界面可能改变病毒颗粒的稳定性。

正如通讯作者Martin Pelosse强调的，这项研究揭示了自然界中蛋白质模块通过构象可塑性实现多功能性的精彩范例。Ac101/Ac144模块的"一专多能"特性为人工蛋白质设计提供了新思路，而其介导的对称性错配机制可能普遍存在于旋转分子马达中。随着昆虫种群衰退成为全球生态危机，理解杆状病毒的结构基础对开发生态友好的生物农药显得尤为重要——毕竟，这些直径仅80-180nm的纳米机器，正在悄然塑造着地球生态系统的平衡。