冷冻电镜解析乳酸菌噬菌体Nocturne116结构：揭示c2样乳酸球菌病毒的架构

《Journal of Virology》：Cryo-EM structure of bacteriophage Nocturne116: insights into the architecture of c2-like Lactococcus viruses

　　

Nocturne116是一种感染昆虫相关乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）菌株的小型细菌病毒，具有长椭球头（prolate head）与柔性非收缩尾（flexible, non-contractile tail）。该噬菌体与其他噬菌体的序列相似性极低，代表包括乳酸球菌噬菌体Q54及Ceduovirus属噬菌体在内的一个分化病毒谱系。为深入理解该类病毒的分子架构，研究人员测定了Nocturne116病毒粒子的三维结构。Nocturne116头部由两类衣壳蛋白组成：主要衣壳蛋白（major capsid protein, MCP）组装为50个六聚体，专用顶点蛋白（vertex protein, VP）形成11个五聚体。粒子经共价异肽键（isopeptide bonds）稳定，使圆柱中段衣壳粒环呈拓扑互锁，而半球形衣壳区链甲样结构不完整。衣壳一端末端由门户复合体（portal complex）占据，经三组颈环蛋白连接尾部。基因组DNA经颈通道延伸至第二尾管环，此处遇见尾量尺蛋白（tail tape measure protein, TMP）。尾轴由26个尾管蛋白（tail tube protein, TTP）六聚体环构成，末端由三种次要结构蛋白组成的圆顶状结构封顶。尾尖缺乏特征性受体结合蛋白（receptor-binding proteins, RBPs），代表已研究乳酸球菌噬菌体中最简宿主附着装置，暗示其识别与感染机制异常。

研究背景：乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）是乳制品发酵核心菌种，其噬菌体污染可致工业发酵失败。已知乳酸球菌噬菌体多属长尾鞘病毒（siphovirus），三大类群“936”“P335”“c2”（今归Ceduovirus属）占98%，但c2样病毒高分辨率结构长期缺失。Nocturne116为感染昆虫相关乳酸乳球菌的稀有谱系噬菌体，形态近Q54与Ceduovirus，序列低同源，是解析该谱系架构的理想模型。研究人员以冷冻电镜（cryogenic electron microscopy, cryo-EM）单颗粒技术解析其全病毒原子模型，填补c2样病毒结构空白。

主要关键技术方法：样本源自前期分离的乳酸乳球菌LNT菌株及对应噬菌体Nocturne116；经CsCl梯度纯化后，使用Talos Arctica 200 kV电镜搭配K2 Summit探测器采集15554张电影帧；在Relion 4.0/5.0流水线下，对头部（C5）、门户颈段（C12/C6）、尾管（螺旋C6）、尾尖（C3）分别做聚焦子粒子提取与对称约束重构，局部分辨率2.63–3.53 ?；模型经ModelAngelo初建、Coot校正、Phenix实空间精修，异肽键以AceDRG restraint固化；辅以MALDI-TOF质谱验证交联寡聚体。

研究结果：

整体结构：病毒粒子由11种可辨结构蛋白组成，头2种、颈4种、尾5种；各组件局部对称重构拼合为全粒子原子模型。

头部：长椭球头约650×430 ?，T_end=4、T_mid=8，355亚基（50 MCP六聚体+11 VP五聚体）。MCP含HK97折叠，由ORF18蛋白酶切成熟；VP（ORF19）同源MCP但缺N臂、E-loop缩短。准三重轴处MCP Lys299–Asn483及VP Asn196–MCP Lys299形成催化谷氨酸辅助的异肽键，圆柱段呈互锁环，衣壳半球段链甲不完整；变性胶与质谱印证共价寡聚体。

门户：ORF17编码12聚体门户蛋白（portal protein, PP），含clip/stem/wing/crown域，翼域与周围MCP不对称接触，34 N端及10 C端无序。

颈部：ORF11/12/13编码尾终止蛋白（tail terminator protein, TrP）六聚体、头尾连接蛋白（head–tail joining protein, HTJP）六聚体、头尾衔接蛋白（head–tail connector protein, HTCP）12聚体，叠成85 ?高通道；HTCP α4辐条嵌PP，双侧构象交替结合HTJP。

基因组末端：颈内见无特征圆柱密度，归为伸出dsDNA末端；门户缩窄处呈20 ?甜甜圈密度，疑DNA–门户接触；下续尾管前两段见TMP管状密度，因尾柔性未解高分辨。

尾管：ORF20编码TTP，220残基，典型Caudoviricetes尾管折叠，26环每环6亚基，环间距42.8 ?、扭16.1°，β桶衬腔，长环互嵌邻环成柔性接头。

尾尖：末环由ORF28 DTP1与ORF29 DTP2各3拷贝交替成异六聚，降对称至C3；ORF27产物三聚体成基底毂蛋白（baseplate hub protein, BHP），含HD I–IV（III裂为IIIa/IIIb），封顶圆顶；DTP2 C端半乳糖凝集素样域朝外；BHP腔内见TMP（ORF? C端α螺）密度，HD II–HD IV口袋见不明中低占位密度；全尾尖无RBP/尾丝编码。

讨论结论翻译浓缩：Nocturne116结构定义稀有乳酸球菌谱系架构，其双蛋白衣壳（MCP+专用VP）在c2样病毒中保守；圆柱段异肽互锁首现于长椭球衣壳，且c2/Q54/GE1中催化残基全保守，半球段不交联契合压力容器应力分布；颈/尾管蛋白折叠广布但尺寸极小近功能下限；尾尖极简无RBP，提示以BHP口袋初黏多糖、DTP2半乳糖凝集素样域作不可逆蛋白受体位点的非典型感染模型，具体触发机制待证。该研究首发Ceduovirus属高分辨结构，为乳酸球菌噬菌体多样性与抗噬菌体防御提供架构基准。

论文发表于《Journal of Virology》。