冷凍電鏡三維重構解析揭示絲狀病毒IKe結構

　　清華大學醫學院向燁研究組與以色列特拉維夫大學Amir Goldbourt組合作于2019年2月28日在《美國科學院院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， PNAS）雜志在線發表題為“The Cryo-electron microscopy structure of the filamentous bacteriophage IKe”（絲狀噬菌體IKe冷凍電鏡結構）的研究論文揭示絲狀噬菌體病毒IKe高分辨結構。論文采用冷凍電鏡三維重構方法解析得到高分辨絲狀噬菌體IKe表面螺旋衣殼結構，同時也對絲狀噬菌體內部DNA形態結構有了新的認識。

圖注：A. 噬菌體IKe病毒衣殼結構圖，位于同一高度的5個主要衣殼病毒蛋白p8構成病毒衣殼蛋白層。相鄰衣殼蛋白層通過twist為38.52o，rise為16.77 ?螺旋排列。B. 左側為非對稱重構解析得到的噬菌體IKe剖面圖，其中病毒內部環狀DNA以左手螺旋的方式存在。兩個不同閾值下（17 σ和26 σ）的環狀DNA電子密度分別用半透明粉色和不透明紅色表示，病毒衣殼相關電子密度用透明白色表示，病毒主要衣殼蛋白p8結構用橙色表示。中間為重構得到的在電子密度閾值為17 σ下的環狀DNA結構，其螺距約為34 ?。右側為根據螺距模擬得到的左手螺旋結構。

　　噬菌體IKe屬于絲狀噬菌體家族成員（Inoviridae），成熟病毒顆粒為無包膜纖維絲狀結構。絲狀噬菌體病毒纖維直徑約為65～70 ?，長度在800～2000 nm左右。該類病毒的DNA是由大小在5000～8000堿基左右的單鏈環狀DNA組成，其能夠編碼與病毒復制、成熟組裝過程相關的10個病毒蛋白。病毒環狀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合以及病毒釋放過程的相關蛋白位于絲狀纖維的兩極。目前對于該類噬菌體結構以及其內部環狀DNA的具體形態還沒有相關高分辨結構報道。

　　研究人員通過采用冷凍電鏡三維重構方法，成功解析高分辨噬菌體IKe螺旋病毒衣殼結構。

　　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成了該病毒的衣殼蛋白層，相鄰衣殼層之間通過相應螺旋參數（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根據結構可以劃分成兩個部分：靠近N端的螺旋HN、靠近C端的螺旋Hc。

　　其中HN部分的4個親水性氨基酸均暴露于病毒衣殼外側，該部分疏水性氨基酸則與周圍其他p8單體蛋白結構相互作用。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π-π共軛方式相互作用，極大穩定了病毒的衣殼結構。而HC部分C末端被完全包埋在病毒衣殼內腔。該部分 4個帶正電的氨基酸殘基都暴露于病毒衣殼內腔表面，使得整個衣殼內腔均帶正電，進而介導了與內部單鏈環狀DNA的相互作用。

　　另外，研究通過計算發現噬菌體內部環狀DNA與外部病毒衣殼之間存在固定空間取向關系。采用非對稱重構解析發現該環狀DNA是以左手螺旋方式存在于病毒衣殼內部，病毒主要衣殼蛋白末端帶正電氨基酸Arg43和Lys51對于穩定該DNA特殊結構可能起到至關重要的作用。

　　此項工作由向燁實驗組和以色列特拉維夫大學Amir Goldbourt實驗組合作完成。向燁博士和Amir Goldbourt博士為本論文共同通訊作者，已畢業2013級博士生許靖蔚博士為第一作者，Amir Goldbourt組Nir Dayan參與本次實驗研究。