噬菌体𝚽21的受体结合蛋白通过产生非遗传表型异质性的不稳定突变进化出新功能

文章探讨了噬菌体Φ21的受体结合蛋白（RBP）如何通过不稳定的突变进化出新功能，从而扩展其宿主范围。这一研究对于理解病毒如何适应新宿主以及预测潜在的疫情具有重要意义。以往研究发现，病毒通过RBP的突变来识别新宿主细胞表面的分子，而这些突变可能通过影响蛋白质的折叠和稳定性来实现功能的扩展。本研究旨在验证这一机制是否适用于噬菌体Φ21，并进一步探索其中的分子机制。

1. 受体使用能力的扩展

噬菌体Φ21在实验室进化过程中成功扩展了其受体使用能力。最初，Φ21仅能利用LamB受体感染大肠杆菌。经过进化，它获得了使用OmpC和OmpF两种新受体的能力。具体来说，进化出的ΦD9噬菌体能够同时利用LamB、OmpC和OmpF三种受体，这一结果表明Φ21具有快速适应新环境并扩展宿主范围的能力。

2. RBP的热力学稳定性变化

随着Φ21进化出使用新受体的能力，其受体结合蛋白（RBP）的热力学稳定性发生了显著变化。与祖先噬菌体Φ21相比，进化后的噬菌体（如ΦD9）显示出更低的热力学稳定性。这种稳定性降低表现为病毒粒子在没有宿主细胞的情况下，其感染性（以噬菌斑形成单位PFUs衡量）随时间的衰减速度加快。具体实验数据显示，ΦD9的初始衰减速率显著高于其祖先Φ21（P < .0001），且ΦD9的衰减模式符合双相指数衰减模型，而祖先Φ21则表现为单相指数衰减，这表明ΦD9群体中至少存在两个具有不同衰减速率的噬菌体亚群。

3. 表型异质性的产生

进化后的Φ21产生了遗传上相同但表型不同的病毒粒子，即出现了非遗传表型异质性。这种异质性直接与受体使用创新相关联。具体表现为，具有更衍生受体使用能力的噬菌体粒子更不稳定，衰减更快。例如，在ΦD9中，能够利用原生受体LamB的粒子最稳定，能够利用第二个受体OmpC的粒子次之，而能够利用第三个受体OmpF的粒子最不稳定。这一结果反映了新受体使用功能进化的顺序，并且三种显著不同的衰减速率也暗示了同基因型ΦD9群体中至少存在三种具有不同热稳定性的蛋白构象。

4. 分子伴侣蛋白对表型异质性的影响

通过操纵宿主细胞中分子伴侣蛋白的表达，研究发现这可以改变噬菌体粒子的表型异质性。当宿主细胞中的rpoH基因（编码热休克蛋白σ32）被诱导表达时，能够协助RBP折叠成更稳定的构象，从而增加依赖LamB受体的稳定粒子的数量。实验结果显示，rpoH诱导后，噬菌体在仅表达LamB受体的细胞上的噬菌斑形成效率（EOP）显著高于未诱导rpoH的细胞（T-test，P = .02），这表明分子伴侣蛋白的表达确实能够影响噬菌体粒子的受体使用偏好，进一步证实了RBP折叠的随机性与噬菌体粒子表型异质性之间的联系。

5. 进化过程中稳定性变化的动态

研究还观察了Φ21在与大肠杆菌共同进化过程中，不同进化阶段噬菌体的稳定性变化。除了ΦD9外，研究者还分析了其他几个在不同时间点分离或具有独特受体使用特征的噬菌体（如ΦD3、ΦD12、ΦD15、ΦD21和ΦD24）。结果表明，所有进化出的噬菌体都比祖先噬菌体更不稳定，并且都显示出双相衰减模式。这进一步证实了在Φ21的进化过程中，RBP的不稳定性是一个普遍现象。然而，稳定性与受体使用广度之间的关系并非简单的线性关系。例如，Φ21在进化出使用第二个受体OmpC时变得不稳定，但在进化出使用第三个受体OmpF时又增加了稳定性。这表明，只有一定阈值水平的不稳定性是产生构象异质性所必需的，而这种异质性有助于探索新功能，但不稳定性与异质性之间并不总是存在直接的驱动关系。

6. RBP突变与稳定性变化的关联

对于最早分离的噬菌体ΦD3，其基因组中RBP区域仅有一个突变，这个突变使噬菌体获得了利用OmpC受体的能力，并且ΦD3是研究中发现的最不稳定的变体之一，表现出双相稳定性。这个突变导致RBP中第1025位的异亮氨酸被苏氨酸取代，位于受体结合域开始前的位置。通过结构预测发现，这个突变可能影响RBP三聚体的形成，从而削弱了三个原聚体受体结合域之间的相互作用，增加了受体结合域的构象自由度，使其能够动态地结合受体。这一结果与噬菌体λ中类似的不稳定性突变导致新受体功能获得的机制相似，进一步支持了RBP不稳定性在病毒进化中的关键作用。

总结

噬菌体Φ21通过RBP的不稳定性进化出新的受体使用功能，这一过程中产生了遗传上相同但表型不同的病毒粒子，即非遗传表型异质性。这种异质性直接与受体使用创新相关联，不稳定的噬菌体粒子更有可能利用新的受体。分子伴侣蛋白的表达可以调节这种表型异质性，影响噬菌体粒子的受体使用偏好。在整个进化过程中，Φ21的RBP热力学稳定性降低，产生了多种具有不同热稳定性和受体使用能力的蛋白构象。这些结果揭示了病毒如何通过进化扩展宿主范围的新机制，强调了非遗传表型异质性在进化创新中的潜在作用，并为理解蛋白质的进化性和病毒的适应性提供了新的理论基础。

文章来源：10.1093/ve/veae049