噬菌体 T5 感染触发因素和大肠埃希菌细胞壁穿孔的结构基础

噬菌体或噬菌体是感染细菌的病毒，代表了我们星球上最丰富的生物实体。它们存在于细菌发育的所有生态系统中，数量至少比宿主多一个数量级，有助于微生物种群的发展和进化。此外，随着对抗生素耐药的病原菌株数量的增加，毒力噬菌体被认为是经典疗法的重要替代或补充。绝大多数已知的噬菌体都有一条尾巴，其尖端用于识别宿主，刺穿细菌细胞壁，并将病毒基因组递送到宿主细胞质中。尾巴在肌病毒科中可以是长而收缩的，在毛荟病毒科中可以是长而灵活的，或者在鬼臼科中是短的。细菌尾状机器还用作将各种大分子注射到邻近的原核和/或真核细胞中的一种手段：所有这些系统都来自具有高度结构相似性的共同祖先。收缩尾巴和细菌尾巴状系统已经看到了它们的细胞壁穿孔机制的精美细节描述：它们通过收缩外鞘在细胞壁上钻一个孔，该外鞘以类似注射器的方式推动针刺内管。相反，人们对 siphophage 知之甚少，占所有噬菌体的 60% 以上。与受体相互作用前后的尾管结构表明，尾管在感染中不起直接作用。分离的纯化底板和革兰氏阳性感染 siphophage 的尾尖的结构是可用的，并且 lactophage p2 纯化的底板在闭合和打开状态下溶解，表明这种糖结合的 siphophage 被激活。

图 1.纳米盘中 T5 尾尖与 FhuA 相互作用前后的结构。

噬菌体 T5 是一种感染大肠杆菌的 Siphoviridae，它呈现一个 90 nm 二十面体衣壳，其上连接着一个 160 nm 的尾管（图 1），该尾管由尾管蛋白 pb6 （TTPpb6） 的 40 个环形三聚体聚合而成围绕卷尺蛋白 pb2 （TMPpb2）。在其远端，尾部包含尖端复合体，也称为底板：三个可支配的 L 形侧尾纤维 （LTFpb1） 可逆地与宿主脂多糖的糖部分结合。它们通过项圈连接到由远端尾部蛋白 pb9 （DTPpb9）和底板枢纽蛋白 pb3（BHPpb3，也称为尾部相关溶血素/溶菌酶）形成的锥形结构。中心纤维蛋白，在其末端发现了受体结合蛋白 pb5 （RBPpb5，完成了尖端复合体，p140 和 p132 的位置未知。FhuA 是一种外膜大肠杆菌铁铁铬转运蛋白，是 T5 识别的细菌受体 （25）。T5 与其纯化受体 FhuA 的相互作用会触发病毒 DNA 的体外释放 （26），使该噬菌体成为研究宿主识别、DNA 喷射和细胞壁穿孔机制的优秀模型。因此，我们着手解决 T5 尾尖与其受体相互作用之前 （Tip） 和之后 （Tip-FhuA） 的结构;我们的结果揭示了 T5 尾尖所经历的构象变化，并允许详细说明尾部张开和外膜穿孔的分子机制。

大多数噬菌体都有一个尾巴，允许宿主识别、细胞壁穿孔和病毒 DNA 从衣壳引导到受感染的细菌细胞质。大多数有尾噬菌体的尖端有一条长而灵活的尾巴 （Siphoviridae），其受体结合蛋白 （RBP） 与宿主特异性相互作用，引发感染。在 siphophage T5 中，独特的 RBP 位于中央纤维的末端。我们展示了 T5 尾尖的结构，在与重组到纳米盘中的大肠杆菌受体 FhuA 相互作用之前和之后通过冷冻电子显微镜确定。这些结构揭示了 T5 尾尖在感染时经历的重要构象变化，包括 T5 中心纤维在尾尖侧面弯曲、尾部锚定在膜上、尾管打开和形成跨膜通道。

参考文献：Linares, R., Arnaud, C. A., Effantin, G., Darnault, C., Epalle, N. H., Boeri Erba, E., Schoehn, G., and Breyton, C. (2023) Structural basis of bacteriophage T5 infection trigger and E. coli cell wall perforation. Science advances 9