保守的尾部远端螺旋延伸结构决定了革兰氏阴性长尾噬菌体的尾刺附着架构

《Virology》：A conserved distal-tail helical extension defines a tailspike attachment architecture in Gram-negative siphophages

　　

摘要噬菌体基因组库的快速增长已超过了尾尖蛋白的功能注释，限制了宿主识别结构的比较分析。从沙门氏菌噬菌体 9NA 和 Jersey 中共享的远端尾基因排列出发，我开发了一个形态发生生物信息学框架，整合了基因共线性、序列比较、配置文件隐藏马尔可夫模型（HMM）筛选、结构证据、结构感知搜索和 AlphaFold 建模。与实验表征的 lambda 和 Sf11 尾部组装体进行比较，鉴定出与尾刺附着相关的远端尾（DT）蛋白主要呈 alpha-螺旋的 C 端延伸，称为远端尾螺旋延伸（DT-螺旋）。筛选了来自 5,167 个完整 NCBI RefSeq 有尾噬菌体基因组的 541,986 个蛋白，随后基于证据对序列、基因组背景和结构架构进行评估，鉴定出 165 个经过整理的与 DT-螺旋延伸相关的噬菌体。它们的 DT 蛋白分为六个序列组。在四个主要的多成员组中，同源尾刺在近端 N 端区域显示出组特异性保守性，但下游多样性大得多，这与 DT-尾刺附着边界的序列约束一致。互补的 ProstT5/Foldseek 搜索支持了已建立的分组，但未发现令人信服的额外高度分歧的家族。连同实验表征的 Sf11 附着界面，这些发现定义了一种反复出现的形态发生架构，将保守的远端尾骨架与感染革兰氏阴性菌的长尾噬菌体中更多变性的受体结合蛋白联系起来。虽然尚未建立普遍的可互换性，但鉴定的骨架 - 受体结合边界为分子表征和理性噬菌体工程提供了框架。165 个经过整理的噬菌体的登录号级别信息可通过 PhageTailDB 获得。

引言肠炎沙门氏菌是一种主要的细菌病原体，导致从自限性胃肠炎到侵袭性全身疾病的疾病。非伤寒沙门氏菌血清型是食源性感染的主要原因，而侵袭性非伤寒疾病不成比例地影响幼儿、免疫受损个体和医疗资源有限的人群 (Stanaway 等人，2019)。对氟喹诺酮类、第三代头孢菌素和其他一线药物的耐药性出现进一步减少了治疗选择，并将耐药沙门氏菌置于需要新抗菌策略的细菌病原体之中 (世界卫生组织，2024)。

因此，噬菌体重新成为候选的精准抗菌药物 (Kutateladze & Adamia, 2010; Nobrega 等人，2015)。它们对受体依赖的特异性可以将杀伤限制在特定的细菌宿主上，可能减少对共生微生物群的破坏，同时易感细菌中的复制可以在感染部位扩增噬菌体种群 (Kortright 等人，2019)。临床经验已确立了噬菌体给药的可行性，尽管治疗使用仍受限于剂型、剂量、细菌耐药性以及针对特定分离株有效的噬菌体可用性 (Schooley 等人，2017; Dedrick 等人，2019; Jault 等人，2019; Leitner 等人，2021)。

可扩展噬菌体疗法和合成噬菌体设计的中心障碍是预测和修饰宿主特异性的困难。在有尾噬菌体中，初始宿主识别主要由受体结合蛋白介导，包括尾纤维和尾刺，它们与表面结构结合，如脂多糖、荚膜、外膜蛋白和 O-抗原 (de Jonge 等人，2019)。尾刺在许多感染肠道细菌的噬菌体中尤为重要，因为它们可以将受体识别与表面多糖的酶促降解结合起来。改变受体结合蛋白可以重定向噬菌体嗜性，但如果供体蛋白不能折叠、寡聚化、附着到病毒颗粒上，或在受体尾部架构内发挥作用，则基因精确替换仍可能失败 (Ando 等人，2015; Dunne 等人，2019; Yehl 等人，2019)。因此，未解决的问题不仅是哪种蛋白识别受体，而是哪种结构界面将该蛋白连接到保守的病毒颗粒组装上。

这个问题因噬菌体基因注释不一致而加剧。等效的尾部相关蛋白可能被描述为假设蛋白、通用尾部蛋白、远端尾部蛋白、尾纤维或尾刺，而相似的标签可能应用于具有不同形态发生作用的蛋白。序列分歧进一步限制了主要依赖成对相似性的注释流程。因此，尾部组装和受体结合之间的保守界面即使在完整的噬菌体基因组中也可能保持隐藏。

在本研究中，使用形态发生方法来鉴定和表征此类界面。分析始于沙门氏菌噬菌体 9NA 和 Jersey 中共享的远端尾基因排列，并通过与实验表征的 lambda 尾部 (Wang 等人，2024) 和 Sf11 尾刺 - 附着复合物 (Subramanian 等人，2025) 进行比较来解释。然后使用发现阶段的配置文件 HMM 筛选 5,167 个完整 NCBI RefSeq 噬菌体基因组，并通过整合序列支持、基因组背景、共线性和结构特征来评估候选架构。最初验证的 DT 蛋白随后分为六个序列组，为其构建了单独的亚组 HMM 并用于改进的重新筛选。这种扩展分析产生了最终经过整理的 165 个 DT-螺旋延伸相关噬菌体集。相关架构之前已在海洋长尾噬菌体 TW1 中以较低分辨率可视化，其远端尾携带六个 P22/Sf6 样尾刺，尽管刺附着的分子基础未解决 (Wang 等人，2018)。较近期的 Sf11 结构为这种附着架构提供了局部分子细节 (Subramanian 等人，2025)。使用互补的 ProstT5/Foldseek 结构感知搜索来评估是否遗漏了更多高度分歧的成员，而 AlphaFold Server 建模主要用于检查与实验表征的 Sf11 附着架构的结构相容性，而不是作为分类标准。

结果分析鉴定出远端尾蛋白保守的 C 端螺旋延伸，称为 DT-螺旋，它标记了远端尾骨架和相关尾刺蛋白之间反复出现的形态发生边界。重要的是，独立定义的 DT 序列组与其同源尾刺近端区域的相应序列保守性相关，而下游尾刺区域则要多样化得多。因此，我将这个尾尖系统的分布、序列多样化和结构变异评估为一种连接保守尾部组装和可变受体结合附属物的形态发生类，并提供 PhageTailDB 作为经过整理的登录号级别资源，用于比较噬菌体生物学、结构研究和未来噬菌体工程应用。

章节片段基因组数据集2026 年 1 月，使用查询...从 NCBI RefSeq 数据库检索了被分配到 Caudoviricetes 纲的完整基因组...“Caudoviricetes”且“由 NCBI RefSeq 注释”且“组装级别 = 完整”。生成的登录号级别数据集包含 5,167 个基因组（表 S1）。从相应的 RefSeq 记录中提取了基因组长度、GC 含量、宿主元数据和分类分配。使用 Vclust (Zielezinski 等人，2025) 在两个水平上评估了基因组冗余。

噬菌体 9NA 和 Jersey 中相似的远端尾区域揭示了共享的形态发生组织我对已发表沙门氏菌噬菌体基因组的比较检查鉴定出噬菌体 9NA (NC_025443.1) 和噬菌体 Jersey (NC_021777.1) 中相似的远端尾基因排列。这些噬菌体代表独立表征的组：9NA 样 (Zeng 等人，2019) 噬菌体和前 Jerseyvirinae (Anany 等人，2015)，现 Guernseyvirinae。在这两个基因组中，量尺蛋白编码基因后跟三个相对较小的开放阅读框和一个较大的尾部相关基因，带有

讨论本研究始于注释水平的不一致，并发展为鉴定出广泛分布的尾尖架构。尽管发表标签不同，9NA 和 Jersey 基因组包含位置相似的远端尾基因。与 lambda 的比较为分配 DT、TH 和 TNLP 角色提供了形态发生参考，而实验解析的 Sf11 结构将相关 DT 蛋白的 C 端区域与尾刺附着联系起来。基于配置文件的

结论形态发生分析鉴定出 165 个经过整理的噬菌体基因组中与尾刺附着相关的远端尾蛋白保守的 C 端螺旋延伸。该架构首先在沙门氏菌噬菌体中被识别，与来自 Sf11 的实验结构证据相连，并通过配置文件 -HMM 筛选、基因组背景分析和结构预测扩展到革兰氏阴性宿主的噬菌体。

DT-螺旋定义了保守尾部组装和...之间的候选界面

未引用参考文献Steinegger 和 S?ding, 2017.

生成式人工智能声明在手稿准备期间，作者使用 ChatGPT 5.5 作为校对和语言优化的辅助工具。使用此工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

数据和代码可用性165 个"DT-螺旋”噬菌体的噬菌体信息和支持细节可在 PhageTailDB v8.2 中获取 [https://tlensk.github.io/phagetaildb-dev/; DOI: 10.5281/zenodo.21921997]。HMM 种子比对、配置文件和原始搜索结果存于 [https://github.com/tlensk/Sal3T/]。

利益声明作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

资助声明本研究未收到公共、商业或非营利部门资助机构的任何特定拨款。

竞争利益声明? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢作者感谢明尼苏达科学哲学中心生物兴趣小组的成员提供富有洞见的讨论和建设性反馈。作者感谢明尼苏达大学明尼苏达超级计算研究所为这项研究的发展提供的计算资源。

塔蒂安娜·伦斯卡娅
明尼苏达大学生物信息学和计算生物学系，明尼苏达州明尼阿波利斯市特拉华街 515 号东南，邮编 55455 美国