撰文 | 十一月

在与噬菌体、质粒和其他可移动的遗传元件进行了数十亿年的斗争后，细菌进化出了一系列防御系统摧毁外来核酸。反过来，噬菌体也在“共同进步”，进化出了反限制以及反防御系统，比如CRIPSR在内的细菌防御对抗系统。

巨型噬菌体家族（Jumbo phages）是一种具有独特生命周期的噬菌体，该家族以通常超过20 kb的巨大基因组以及大尺寸病毒粒子而命名，并且该家族中的噬菌体具有一个选择性可渗透的、基于蛋白质的类核壳，可以将复制的病毒基因组包裹起来。但是该核壳结构的整体组成以及结构还尚不清楚。

2022年8月3日，美国加州大学圣地亚哥分校Elizabeth Villa研究组、Joe Pogliano研究组以及Kevin D. Corbett研究组合作在Nature上发表了文章Architecture and self-assembly of the jumbo bacteriophage nuclear shell，鉴定发现了巨型噬菌体核壳主要组成蛋白Chimallin（ChmA），并通过冷冻电子显微镜揭示其网格状柔性薄片结构，可以介导大分子运输、细胞骨架相互作用以及作为病毒成熟过程中的支架。

在噬菌体与宿主之间缠斗过程中，噬菌体核壳通过充当病毒DNA和宿主核酸酶之间的物理屏障，使巨型噬菌体广泛免疫于DNA靶向宿主限制系统。作者们先前的研究表明，噬菌体的核壳上包含至少一个丰富的噬菌体编码蛋白，但是核壳的整体组成和结构仍是未知的。另外，目前还不清楚这些噬菌体如何应对转录和翻译分离带来的挑战，特别是需要将mRNA定向运输出噬菌体核以及将DNA处理酶运输到噬菌体核。最后，在噬菌体细胞核中产生的基因组DNA是如何被包装并在细胞质中组装也是未知的。

为了揭开这些问题的答案，作者们使用具有317 kb基因组的巨型噬菌体201phi2-1感染绿假单胞菌，随后进行聚焦离子束研磨冷冻电子断层扫描（Focused ion-beam milling coupled with cryo-electron tomography，cryoFIB-ET）。作者们发现核壳中结构是具有相同重复间距的正方形晶格（图1）。通过重建噬菌体分辨率约为24 Å的核壳结构，作者们发现正方体晶格是由一个个11.5x11.5 nm的方形四聚体组成的，厚度大约6纳米，内部四重旋转对称。在每个单元格中又有四个独立的小聚集体，尺寸与分子质量大约与70 kDa的蛋白质一致。因此，噬菌体的核壳似乎主要由一个单一的蛋白质组成，排列形成方形晶格。

图1 巨型噬菌体的物理防御

作者们先前的工作表明的巨型噬菌体所表达的蛋白gp105可以整合到核壳中【1】，而pg105的分子量正是69.5 kDa，包含631个氨基酸，与原位冷冻电子所揭示的单个小聚集体密度一致。另外，由于巨型噬菌体核壳的外表成分高度均一，这些数据支持pg105是该噬菌体核壳的主要组成成分。由于它在保护噬菌体基因组免受宿主防御的作用，作者们将这种蛋白质称为Chimallin（ChmA），以古代阿兹特克勇士携带的一种盾牌Chimalli命名。

图2 Chimalli盾牌

进一步地，为了了解Chimallin的结构和组装机制，作者们从大肠杆菌中表达并纯化了Chimallin，通过尺寸排除色谱结合多角度光散射纯化的Chimallin表明处于低聚物状态。通过对核壳结构冷冻电子显微镜单粒子分析，作者们发现每个立方粒子由6个嵌合蛋白四聚体组成，形成一个最小的封闭室，具有明显的八面体对称结构。通过对Chimallin蛋白结构域分析，作者们发现其N端和C端相互作用区域都有助于核壳的自组装，特别是C端可能在保持其整体完整性的同时赋予噬菌体核壳重要的结构可塑性（图3）。

图3 Chimallin结构域示意图

噬菌体细胞核以类似于病毒衣壳的方式保护病毒基因组。然而，与病毒衣壳不同的是，嵌合蛋白与被包裹的DNA并没有紧密的相互作用。通过对对嵌合蛋白的静电估计，作者们发现巨型噬菌体的细胞质和腔面都带负电荷，而核壳的负电性会减少与封闭负电的DNA的相互作用，从而保持遗传物质可用于转录、复制和衣壳包装。

随后，通过对Chimallin晶格空隙的分析，作者们发现该结构动态性、柔性以及灵活性能够支持mRNA转运出细胞核以及特定蛋白质转运到进入细胞核。另外，噬菌体核壳的形态和灵活性可能来自四聚体内部和内部运动。最后，通过对包括大肠杆菌巨型噬菌体Gosxclar在内的其他巨型噬菌体的分析，作者们确认该核壳结构在进化上是保守的。

总的来说，该工作描述了巨型噬菌体核壳的分子结构Chimallin盾牌，这是一个自组装的、微米级的蛋白质腔，可以隔离转录和翻译，在很大程度上排除了蛋白质运输，但允许选择性的蛋白质输入和mRNA输出。该核壳主要由一个单一的蛋白质Chimallin组成，通过其延伸的N端和C端自组装成一个封闭的隔间，该核壳高度对称的晶格结构，有效地平衡了完整性和灵活性，在复制的噬菌体基因组和宿主的防御之间建立了一个物理屏障。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05013-4

参考文献

1. Chaikeeratisak, V. et al. Assembly of a nucleus-like structure during viral replication in bacteria. Science 355, 194–197 (2017).

想了解更多精彩内容，快来关注BioArt生物艺术