原位解析T4噬菌体入口-颈部-尾部复合体的结构揭示病毒基因组定位机制

病毒如何给其遗传弹簧上弦

噬菌体——感染细菌的病毒——是自然界中极其精巧的纳米机械之一。作为研究最透彻的噬菌体之一，T4必须将其长长的DNA基因组压缩装入一个微小的头部，然后在瞬间将其发射进细菌细胞。该研究几乎以原子级的细节揭示了T4如何像将弹簧压紧一样小心地把DNA定位在尾部内，随时准备发射进入新的宿主细胞，而且连一个遗传“字母”都不丢失。

高压的病毒头壳

在噬菌体的蛋白外壳内，DNA被挤压到接近晶体密度，产生大约25–35个大气压的内部压力——相当于深海沟壑处的压力。作者利用高分辨率冷冻电子显微镜可视化了DNA进出头部的特殊“门户”发生了什么。他们发现，当头部被填满时，环状的门户蛋白会从飞碟状变形成蘑菇状，并相对于外壳向下移动。这种由压力驱动的构象变化似乎表明DNA已被装载到位，从而触发负责泵入DNA的马达脱离，并暴露出为下一段病毒机器对接的新位点。

在头与尾之间构建锁定的颈部

一旦DNA头部充满，一个颈部结构就在头与尾之间组装起来，既起连接作用又作阀门。两个颈部蛋白，称为gp13和gp14，在门户下方形成环。Gp13将其一部分结构向上摆动以扣住门户，并伸展到周围的外壳，将头部与颈部紧密系在一起，同时提供装饰纤维的附着点。位于下方的gp14最初与一种宿主蛋白Hfq共同形成双重“基因组门”，有效地堵住出口通道，阻止高压的DNA过早泄漏。在这种封闭状态下，DNA停留在靠近颈部的位置并被固定，而病毒的其余部分完成组装。

尾部对接打开闸门

下一步是连接一个预先构建的尾部，该尾部由围绕内管的收缩鞘组成，尾端带有识别细菌表面的复杂基板。尾部顶部有一个“尾终止子”环gp15，而其下方另有一环gp3封堵内管。当该尾部对接到颈部时，gp14发生剧烈重排：其形成闸门的环状回折向下旋转并夹住gp15，同时gp14的一段延伸尾绕过gp15形成一个很大的带电互作界面。这些运动将Hfq堵塞体排出并把gp14的回折摆到一旁，将原本封闭的颈部转换为与尾部空心管道对齐的完全开放通道。

由分子尺捕获的DNA

闸门打开后，仍处于高压下的DNA并不会直接喷涌而出。相反，它沿着新形成的门户–颈部–尾部连接通道向下移动约17纳米。在与gp3和尾管顶部的交界处，它遇到了“卷尺蛋白”（TMP），一种长而盘绕的蛋白，最初用作测定尾部长度的尺子。TMP的末端具有结合DNA的片段，会抓住基因组的末端。来自被装入头部的持续压力随后将该DNA–TMP复合体进一步推入尾管，像压缩弹簧一样压缩TMP的卷曲螺旋段，并将DNA的前端移至尾管第二个环的底部。

已上弦待发的基因组

这些结构快照表明，组装完成后，噬菌体的基因组并非简单地存放在头部；相反，病毒有意将其领先端定位在一条从头部穿过颈部并延伸入尾部的内部通道深处。DNA由被压缩的卷尺蛋白和基板处的“塞子”固定，保持一种亚稳的、已上弦的状态。当基板感知并锁定细菌受体时，会触发一系列变化，移除这个塞子，使压缩的DNA–TMP复合体冲出，平稳地将基因组导入宿主细胞。实质上，病毒进化出一种以压力为动力的装填与瞄准系统，确保其遗传货物能够快速、完整且可靠地递送。

引用: 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

关键词: T4噬菌体, 病毒DNA包装, 冷冻电子显微镜, 病毒结构, 噬菌体感染机制