古菌病毒SEV1的线圈堆叠式结构解析与极端环境适应机制研究

研究人员针对极端环境下古菌病毒的结构稳定性与感染机制这一科学难题，通过冷冻电子断层扫描（cryo-ET）结合AI结构预测等技术，首次揭示了Sulfolobus ellipsoid virus 1（SEV1）独特的"线圈堆叠"式核衣壳结构，阐明其VP4蛋白介导的DNA包装策略及脂质膜对高温稳定性的关键作用，为极端环境病毒进化与宿主互作提供了新见解。

　　

在酸性热泉和深海热液等极端环境中，古菌病毒展现出令人惊叹的形态多样性和环境适应性。这些微生物界的"极限生存专家"中，有一类被称为Sulfolobus ellipsoid virus 1（SEV1）的病毒尤为特殊——它拥有独特的椭圆形外观和脂质包膜，但科学家们对其精细结构和生存策略知之甚少。更令人困惑的是，这类病毒如何在80℃高温和pH<3的强酸条件下保持稳定？它们又是如何突破宿主细胞坚固的S-layer（表层蛋白）屏障完成感染？这些谜题一直困扰着极端微生物病毒研究领域。

中国科学院微生物研究所的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究，通过多学科交叉技术揭开了SEV1的神秘面纱。研究人员采用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）结合冷冻聚焦离子束（cryo-FIB）切片技术，首次解析了SEV1病毒的三维结构；通过AlphaFold人工智能预测和生化分析，阐明了其基因组包装机制；借助原位冷冻成像技术，完整捕捉了病毒从入侵到释放的生命周期。

关键技术包括：（1）cryo-ET三维重构技术解析病毒精细结构；（2）cryo-FIB制备感染细胞的超薄冷冻切片；（3）基于深度学习的断层图像分割技术；（4）AlphaFold2/3预测VP4蛋白与DNA复合物结构；（5）极端pH/温度稳定性实验体系。

研究结果首先在"SEV1核衣壳的线圈堆叠结构"部分揭示：病毒基因组DNA被主要衣壳蛋白VP4以"串珠状"（beads-on-a-string）形式紧密包裹，形成直径5.4nm的规则螺旋结构，16层螺旋盘通过"线圈堆叠"（coil-stacking）模式组装成具有中央通道（11nm）的核衣壳。这种创新性结构模型解释了病毒在极端条件下的形态灵活性——部分核衣壳甚至能发生90°翻转而不破坏整体结构。

"VP4：SEV1的主要衣壳蛋白"部分发现：这个仅12kDa的小蛋白通过五个α螺旋形成二聚体通道，其富含精氨酸（R）、赖氨酸（K）的特性使其能紧密结合DNA。系统发育分析显示，VP4同源蛋白广泛分布于环太平洋地区的极端环境中，尽管序列差异较大，但均保持相似的DNA结合结构域，暗示这是一种趋同进化形成的基因组稳定策略。

"不同pH和温度下SEV1的结构稳定性"实验表明：完整病毒在pH1-5和100℃下保持稳定，而去除脂质包膜后核衣壳高温稳定性显著降低，证明GDGT-4型四醚脂质（glycerol dibiphytanyl glycerol tetraethers）是病毒耐热的关键。有趣的是，在pH<1的超强酸条件下，病毒刺突蛋白会从7nm延伸至17nm，这可能是其感知环境变化的"分子开关"。

关于"SEV1感染的细胞"，研究通过原位成像捕捉到震撼画面：宿主细胞质会凝聚形成"病毒工厂"样高密度区，未成熟的病毒颗粒边缘可见悬挂的核蛋白（NP）细丝。病毒通过ORF84蛋白构建的六边形病毒相关金字塔（virus-associated pyramids， VAP）释放，该蛋白虽与已知VAP无序列同源性，但能异源表达形成七倍对称结构，显示宿主因素影响VAP组装。

这项研究首次系统阐释了古菌病毒SEV1的"线圈堆叠"式核衣壳架构，揭示了VP4蛋白介导的DNA包装新机制，阐明了脂质包膜在极端环境适应中的双重作用——既保持结构柔性又提供热稳定性。发现的VP4蛋白家族为追踪极端环境病毒进化提供了分子标记，而病毒诱导的宿主细胞质重组现象为研究古菌抗病毒防御提供了新模型。该成果不仅拓展了我们对生命极限认知的边界，也为开发极端环境生物技术工具提供了理论支撑。