噬菌体 Qβ 成熟蛋白的晶体结构

Leviviridae 家族的噬菌体代表了已知噬菌体中最小和最简单的一种，具有短的正链单链 RNA （ssRNA） 基因组，仅编码少数蛋白质。关于 ssRNA 噬菌体生物学的大部分知识都来自对这两种病毒的研究。MS2 和 Qβ 噬菌体分别代表目前公认的 Leviviridae 家族的两个属，即 levivirus 和 allolevivirus。sRNA 噬菌体病毒粒子包含单个拷贝的“成熟”蛋白，在 leviviruses 中通常称为“A”蛋白，在allolevivirus中称为“A2”蛋白。在受感染细胞中新生病毒粒子的组装过程中，成熟蛋白与基因组结合并随基因组一起包装到衣壳中，在那里它仍然部分暴露在颗粒表面。成熟蛋白取代了颗粒中的单个“CC”外壳蛋白二聚体，从而破坏了衣壳的完美二十面体对称性。作为病毒粒子的结构成分，成熟蛋白用于将颗粒吸附到细菌菌毛上，ssRNA 噬菌体将其用作细胞受体，并介导基因组喷射和渗透到宿主细胞中。此外，别体病毒成熟或“A2”蛋白通过阻断胞壁蛋白生物合成途径的细菌 MurA 酶 来介导细胞裂解，而 levivirus 具有专用的小裂解蛋白

图 1 Qβ A2 蛋白的整体结构

晶体的不对称单元包含四个 A2 分子，它们在最终模型中表示为链 A 到 D。所有链都可以无断裂地建模，并且包含野生型 A2 蛋白的所有残基。A2 蛋白具有高度细长的形状，最大宽度约为 50 Å，长度约为 110 Å（图 1）。蛋白质的整体形状大致类似于一个弓形，分子的两端以大约 120° 的角度相互弯曲。大约一半的蛋白质是由 α 个螺旋（“α部分”）构成的，而其余部分几乎完全由 β 个链（“β部分”）组成。虽然 α 部分和 β 部分位于分子的相对端，但它们不能被视为单独的结构域，因为它们具有共同的疏水核心和它们之间的多个连接。

Qβ A2 蛋白的晶体结构以及 MS2 和 Qβ 噬菌体的冷冻电镜重建终于开始揭示 ssRNA 噬菌体用于将基因组递送到宿主细胞中的分子机制。尽管如此，主要是由于难以以分离形式使用它们，ssRNA 噬菌体的成熟蛋白仍然难以表征。来自噬菌体 MS2 的 A 蛋白是唯一一种在功能上具有一定特征的蛋白，但鉴于成熟蛋白的巨大序列变化，尚不清楚功能相似性延伸到其他 ssRNA 噬菌体的水平。生化研究表明，MS2 A 蛋白在两个区域与基因组结合，一个位于靠近RNA分子5'末端的成熟基因中，另一个位于其 3' 末端附近 。MS2 和 Qβ 基因组的二级结构足够不同，无法预测Qβ A2蛋白结合的RNA结构。此外，据报道，MS2 A 蛋白在渗透阶段被切割成一个大片段和一个小片段 ，但尚不清楚这是否也适用于其他ssRNA噬菌体。然而，如果考虑对Qβ A2蛋白进行类似的切割事件，从晶体结构来看，似乎可以在不过多干扰蛋白质其余部分结构的情况下去除大约第一个N端 120 aa，而从C端去除相似大小的片段则需要破坏螺旋束，这似乎不太可能。因此，如果两个片段彼此分离，则 A2 蛋白的假定切割位点更有可能位于更靠近N末端的位置。

参考文献：Rumnieks, J., and Tars, K. (2017) Crystal Structure of the Maturation Protein from Bacteriophage Qβ. Journal of Molecular Biology 429, 688-696