In situ-Strukturen des Portal-Hals-Schwanz-Komplexes des Bakteriophagen T4 geben Aufschluss über einen Mechanismus zur Positionierung des viralen Genoms

Wie ein Virus seine genetische Feder spannt

Bakteriophagen – Viren, die Bakterien infizieren – gehören zu den ausgefeiltesten Nanomaschinen der Natur. Einer der am besten untersuchten, der Bakteriophage T4, muss sein langes DNA-Genom in einen winzigen Kopf packen und es dann binnen Bruchteilen einer Sekunde in ein Bakterium schleudern. Diese Studie zeigt, fast Atom für Atom, wie T4 seine DNA wie eine zusammengedrückte Feder im Schwanz positioniert, startbereit, sodass beim Start kein einziges genetisches „Zeichen" verloren geht.

Ein viraler Kopf unter Hochdruck

Im Inneren der Proteinhülle des Phagen ist die DNA auf nahezu kristalline Dichte gepackt und erzeugt einen Innendruck von etwa 25–35 Atmosphären – vergleichbar mit dem Druck in Tiefseegräben. Die Autoren nutzten hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie, um zu sehen, was an dem speziellen „Portal" passiert, durch das die DNA in den Kopf hinein- und hinausläuft. Sie fanden heraus, dass sich das ringförmige Portalprotein, wenn der Kopf voll ist, von einer flachen Scheibenform zu einer pilzartigen Gestalt verformt und sich gegenüber der Schale nach unten verschiebt. Diese druckgetriebene Verschiebung scheint zu signalisieren, dass genug DNA verpackt ist; dadurch löst sich der Motor, der die DNA hineinpumpte, und neue Andockstellen für den nächsten Teil der viralen Maschinerie werden freigelegt.

Ein Verriegelungs-Hals zwischen Kopf und Schwanz entsteht

Sobald der DNA-Kopf voll ist, baut sich zwischen Kopf und Schwanz eine Halsstruktur auf, die sowohl als Verbindung als auch als Ventil dient. Zwei Halsproteine, genannt gp13 und gp14, bilden Ringe unterhalb des Portals. Gp13 schwingt einen Teil seiner Struktur nach oben, um das Portal zu umfassen, und greift außerdem an die umgebende Schale, wodurch Kopf und Hals fest miteinander verankert werden und Befestigungspunkte für dekorative Fasern entstehen. Gp14 bildet darunter zunächst ein doppeltes „Genomtörchen" zusammen mit einem Wirtsprotein namens Hfq und verschließt so effektiv den Ausgangskanal, damit die hochdruckgeladene DNA nicht vorzeitig entweichen kann. In diesem verschlossenen Zustand stoppt die DNA in der Nähe des Halses und wird dort gehalten, während der Rest des Virus die Assemblierung abschließt.

Andocken des Schwanzes öffnet das Tor

Der nächste Schritt ist das Andocken eines vorgefertigten Schwanzes, der aus einer inneren Röhre besteht, die von einer kontraktilen Hülle umgeben ist, und in einer komplexen Basisplatte endet, die die bakterielle Oberfläche erkennt. An der Spitze dieses Schwanzes sitzt ein „Schwanzterminator"-Ring, gp15, und direkt darunter verschließt ein weiterer Ring, gp3, die innere Röhre. Wenn dieser Schwanz am Hals andockt, durchläuft gp14 eine dramatische Umordnung: seine torbildenden Schleifen drehen sich nach unten und klemmen sich an gp15, während ein ausgedehnter Schwanzteil von gp14 gp15 umschlingt und eine sehr großflächige, geladene Schnittstelle bildet. Diese Bewegungen werfen den Hfq-Stopper aus und schwenken die gp14-Schleifen aus dem Weg, sodass der zuvor verschlossene Hals in einen vollständig offenen Kanal verwandelt wird, der jetzt mit der hohlen Röhre des Schwanzes ausgerichtet ist.

DNA wird von einem molekularen Maßstab erfasst

Ist das Tor geöffnet, strömt die DNA – weiterhin unter hohem Druck – nicht einfach heraus. Stattdessen bewegt sie sich etwa 17 Nanometer durch den neu gebildeten Portal–Hals–Schwanz-Connector. An der Verbindung mit gp3 und dem oberen Ende der Schwanzröhre trifft sie auf das „Bandmaßprotein" (TMP), ein langes, gewundetes Protein, das ursprünglich als Maß diente, um die Länge des Schwanzes zu bestimmen. Das Ende des TMP besitzt DNA-bindende Segmente, die die Spitze des Genoms ergreifen. Der weiterhin vorhandene Druck aus dem gepackten Kopf schiebt dann dieses DNA–TMP-Komplex weiter in die Schwanzröhre, komprimiert die coiled-coil-Abschnitte des TMP wie eine Feder und bringt die DNA-Spitze bis zur Unterkante der zweiten Ringschicht der Schwanzröhre.

Eine federbeladene Genomeinheit, bereit zu schießen

Diese strukturellen Schnappschüsse zeigen, dass das Phagen-Genom nach der Assemblierung nicht einfach im Kopf gelagert wird; es wird gezielt so positioniert, dass sein führendes Ende tief in einem internen Tunnel hängt, der vom Kopf durch den Hals in den Schwanz verläuft. Die DNA wird dort vom komprimierten Bandmaßprotein und einem „Pfropfen" an der Basisplatte gehalten und befindet sich in einem metastabilen, federbeladenen Zustand. Wenn die Basisplatte einen bakteriellen Rezeptor erkennt und sich daran einrastet, löst das Änderungen aus, die diesen Pfropfen entfernen und es dem komprimierten DNA–TMP-Komplex erlauben, nach vorn zu schießen und das Genom gleichmäßig in die Wirtszelle zu führen. Im Kern hat der Virus ein druckbetriebenes Lade- und Zielsystem entwickelt, das eine schnelle, vollständige und zuverlässige Übertragung seiner genetischen Ladung sicherstellt.

Zitation: Fokine, A., Zhu, J., Klose, T. et al. In situ structures of the portal-neck-tail complex of bacteriophage T4 inform a viral genome positioning mechanism. Nat Commun 17, 1965 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69106-8

Schlüsselwörter: Bakteriophage T4, Verpackung viraler DNA, Cryo-Elektronenmikroskopie, Virusstruktur, Phagen-Infektionsmechanismus