清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁研究組《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）雜志在線發(fā)表研究論文揭示絲狀病... 時(shí)間：2019-03-01
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁研究組與以色列特拉維夫大學(xué)Amir Goldbourt組合作于2019年2月28日在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， PNAS）雜志在線發(fā)表題為“The Cryo-electron microscopy structure of the filamentous bacteriophage IKe”（絲狀噬菌體IKe冷凍電鏡結(jié)構(gòu)）的研究論文揭示絲狀噬菌體病毒IKe高分辨結(jié)構(gòu)。論文采用冷凍電鏡三維重構(gòu)方法解析得到高分辨絲狀噬菌體IKe表面螺旋衣殼結(jié)構(gòu)，同時(shí)也對(duì)絲狀噬菌體內(nèi)部DNA形態(tài)結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)。
圖注：A. 噬菌體IKe病毒衣殼結(jié)構(gòu)圖，位于同一高度的5個(gè)主要衣殼病毒蛋白p8構(gòu)成病毒衣殼蛋白層。相鄰衣殼蛋白層通過(guò)twist為38.52o，rise為16.77 ?螺旋排列。B. 左側(cè)為非對(duì)稱(chēng)重構(gòu)解析得到的噬菌體IKe剖面圖，其中病毒內(nèi)部環(huán)狀DNA以左手螺旋的方式存在。兩個(gè)不同閾值下（17 σ和26 σ）的環(huán)狀DNA電子密度分別用半透明粉色和不透明紅色表示，病毒衣殼相關(guān)電子密度用透明白色表示，病毒主要衣殼蛋白p8結(jié)構(gòu)用橙色表示。中間為重構(gòu)得到的在電子密度閾值為17 σ下的環(huán)狀DNA結(jié)構(gòu)，其螺距約為34 ?。右側(cè)為根據(jù)螺距模擬得到的左手螺旋結(jié)構(gòu)。
噬菌體IKe屬于絲狀噬菌體家族成員（Inoviridae），成熟病毒顆粒為無(wú)包膜纖維絲狀結(jié)構(gòu)。絲狀噬菌體病毒纖維直徑約為65～70 ?，長(zhǎng)度在800～2000 nm左右。該類(lèi)病毒的DNA是由大小在5000～8000堿基左右的單鏈環(huán)狀DNA組成，其能夠編碼與病毒復(fù)制、成熟組裝過(guò)程相關(guān)的10個(gè)病毒蛋白。病毒環(huán)狀DNA在成熟病毒纖維中是由主要衣殼蛋白（major coated protein，protein 8，p8）螺旋排列所形成的衣殼所包裹，而參與宿主表面受體結(jié)合以及病毒釋放過(guò)程的相關(guān)蛋白位于絲狀纖維的兩極。目前對(duì)于該類(lèi)噬菌體結(jié)構(gòu)以及其內(nèi)部環(huán)狀DNA的具體形態(tài)還沒(méi)有相關(guān)高分辨結(jié)構(gòu)報(bào)道。
通過(guò)采用冷凍電鏡三維重構(gòu)方法，向燁實(shí)驗(yàn)組成功解析高分辨噬菌體IKe螺旋病毒衣殼結(jié)構(gòu)。組成該病毒衣殼的主要衣殼蛋白p8以單根α螺旋的形式螺旋排列形成病毒衣殼。位于同一高度的5根主要衣殼蛋白共同構(gòu)成了該病毒的衣殼蛋白層，相鄰衣殼層之間通過(guò)相應(yīng)螺旋參數(shù)（twist為38.52o，rise為16.77 ?）排列堆積形成病毒衣殼。解析得到的主要衣殼蛋白p8根據(jù)結(jié)構(gòu)可以劃分成兩個(gè)部分：靠近N端的螺旋HN、靠近C端的螺旋Hc。其中HN部分的4個(gè)親水性氨基酸均暴露于病毒衣殼外側(cè)，該部分疏水性氨基酸則與周?chē)渌鹥8單體蛋白結(jié)構(gòu)相互作用。其中p8蛋白單體上的Trp29能夠與鄰近p8蛋白單體上的Tyr9通過(guò)π-π共軛方式相互作用，極大穩(wěn)定了病毒的衣殼結(jié)構(gòu)。而HC部分C末端被完全包埋在病毒衣殼內(nèi)腔。該部分 4個(gè)帶正電的氨基酸殘基都暴露于病毒衣殼內(nèi)腔表面，使得整個(gè)衣殼內(nèi)腔均帶正電，進(jìn)而介導(dǎo)了與內(nèi)部單鏈環(huán)狀DNA的相互作用。另外，本次研究通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)噬菌體內(nèi)部環(huán)狀DNA與外部病毒衣殼之間存在固定空間取向關(guān)系。采用非對(duì)稱(chēng)重構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)該環(huán)狀DNA是以左手螺旋方式存在于病毒衣殼內(nèi)部，病毒主要衣殼蛋白末端帶正電氨基酸Arg43和Lys51對(duì)于穩(wěn)定該DNA特殊結(jié)構(gòu)可能起到至關(guān)重要的作用。
此項(xiàng)工作由向燁實(shí)驗(yàn)組和以色列特拉維夫大學(xué)Amir Goldbourt實(shí)驗(yàn)組合作完成。向燁博士和Amir Goldbourt博士為本論文共同通訊作者，已畢業(yè)2013級(jí)博士生許靖蔚博士為第一作者，Amir Goldbourt組Nir Dayan參與本次實(shí)驗(yàn)研究。該研究得到我國(guó)973項(xiàng)目（2015CB910102）、中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（31861143027和31470721）、中國(guó)國(guó)家科技部（Grant 2016YFA0501100）、中國(guó)-以色列科研基金（Grant 2423/18）、感染性疾病診治協(xié)同創(chuàng)新中心和北京清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的大力支持的共同資助。
◎論文鏈接：
https://www.pnas.org/content/early/2019/02/27/1811929116
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