基于序列聚类与结构同源分析策略的泛基因组尺度分枝杆菌噬菌体注释揭示宿主互作机制

这篇综述创新性地采用序列聚类与结构同源分析策略（SCSH），对2,169株分枝杆菌噬菌体的240,754个蛋白进行系统注释，将注释率从34%提升至52.11%。研究揭示了噬菌体编码的潜在抗防御蛋白（如抗CRISPR蛋白和抗毒素）及其与宿主分子机器的互作网络，为噬菌体治疗耐药感染提供了关键分子机制见解。

　　

结构重注释揭示噬菌体蛋白功能

通过序列聚类与结构同源分析（SCSH）策略，研究团队对分枝杆菌噬菌体蛋白进行了系统性重注释。利用MMseqs2将240,754个蛋白聚类为14,614个群组，结合AlphaFold结构预测和Foldseek结构比对，成功将注释覆盖率提升18.11个百分点。值得注意的是，结构保守性分析显示，94.8%的聚类成员具有完全一致的Pfam结构域，证实了该策略的可靠性。

跨界同源性的进化启示

结构比对发现，15.27%的噬菌体蛋白与真核生物（如人类和酵母）存在显著同源性。例如，噬菌体编码的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（Ser/Thr kinase）与人类核糖体蛋白S6激酶alpha-3（PDB: 4NUS_A）结构高度相似（RMSD=1.557），暗示其在免疫逃逸中的潜在作用。更引人注目的是，L簇噬菌体编码的烟酰胺磷酸核糖转移酶（NAMPT）与人类NAD⁺合成限速酶结构几乎重叠，可能通过抵消宿主Thoeris防御系统的NAD⁺耗竭策略实现免疫逃逸。

溶原与裂解噬菌体的功能趋同

结构聚类分析揭示了溶原性和裂解性噬菌体共有的核心功能模块。例如，F簇和O簇噬菌体的糖基转移酶（glycosyltransferase）通过病毒衣壳糖基化屏蔽抗体识别；而K簇和AA簇噬菌体编码的TsaE样蛋白可能通过调控t⁶A修饰影响宿主翻译系统。此外，M簇噬菌体携带的链霉素3″-腺苷酰转移酶样结构，暗示了噬菌体介导抗生素耐药基因水平转移的潜在风险。

未知结构的创新发现

约11.58%的蛋白未找到同源结构，其中55.19%具有高置信度模型（pLDDT>70）。例如，MPC00642呈现独特的全α螺旋构象（857个残基），而MPC00427则显示三类结构域融合现象，包括与Class A β-内酰胺酶相关的丝氨酸水解酶域。DeepFRI预测这些蛋白可能参与磷酐水解（EC 3.6.1）和氨基酸转移（EC 2.3.2）等新酶活反应。

宿主防御与噬菌体反制策略

通过构建抗防御蛋白数据库（含125个抗毒素和99个抗CRISPR蛋白），研究发现噬菌体Acr蛋白主要靶向宿主crRNA加工机制（如Cas6核酸酶），而抗毒素蛋白则特异性中和宿主vapBC、mazEF等毒素-抗毒素（TA）系统。AlphaFold-Multimer预测显示，噬菌体复制相关蛋白优先结合宿主DNA修复蛋白（如RecF和DnaN），转录相关蛋白则劫持σ因子（SigH/J/E）和双组分系统（MprA/MtrA），揭示了噬菌体高效利用宿主分子机器的精密策略。

这项研究不仅填补了噬菌体蛋白功能注释的空白，更为设计靶向耐药分枝杆菌的工程化噬菌体提供了理论框架。结构生物学驱动的分析范式，为理解病毒-宿主进化军备竞赛开辟了新视角。