重磅发现！噬菌体感染细菌过程中独特的“细胞器接力”机制揭晓

研究发现，在噬菌体感染细菌的过程中，存在着一种由膜结合和蛋白质结合的细胞器依次发挥作用的独特机制，这一发现为深入理解噬菌体的生命周期和感染机制打开了全新的窗口。

长期以来，噬菌体感染细菌的过程一直是科学界关注的焦点。其中，Chimalliviridae家族噬菌体在感染细菌时会形成一种名为噬菌体细胞核的结构，用于保护和复制自身基因组，但在噬菌体细胞核形成之前，注入的基因组如何得到保护以及早期感染阶段的具体情况，一直是未解之谜。

研究人员以Goslar噬菌体为研究对象，借助冷冻电镜断层扫描（cryo-ET）、荧光显微镜、RNA测序（RNA-seq）以及CRISPR干扰通过反义RNA靶向（CRISPRi-ART）等先进技术，展开了深入研究。在感染早期，研究人员观察到一种膜结合的囊泡结构（图1：B展示了野生型大肠杆菌细胞在感染Goslar噬菌体1分钟后，通过cryo-ET观察到的含有DNA的膜结合囊泡的断层切片和分割图，清晰呈现出其结构）。通过一系列实验，他们证实这些囊泡是噬菌体感染的一个自然、核前阶段，并将其命名为早期噬菌体感染（EPI）囊泡。

研究发现，EPI囊泡具有转录活性。通过观察，研究人员发现从囊泡表面延伸出含有至少10个核糖体的多聚核糖体（图3：C展示了ChmA敲低细胞中，从囊泡表面延伸出多聚核糖体的断层切片和分割图），这表明囊泡能够挤出mRNA，供核糖体进行翻译。同时，研究人员利用RNA-seq技术对噬菌体转录谱进行分析，发现ChmA敲低菌株在30分钟时的转录谱与野生型早期感染阶段高度匹配（图4：A展示了不同感染时间点和不同菌株的Goslar转录本RNA-seq平均读数的IGV快照；B为不同条件下Goslar转录谱的皮尔逊相关系数热图，清晰显示出ChmA敲低菌株在30分钟时与野生型早期感染阶段的高度相关性），进一步证实了EPI囊泡的转录活性。

在研究噬菌体细胞核的作用时，研究人员利用CRISPRi-ART技术抑制噬菌体细胞核主要外壳蛋白ChmA的表达，结果发现噬菌体无法形成细胞核，且噬菌体的生命周期停滞在EPI囊泡阶段，病毒基因组无法进行复制（图2：展示了ChmA敲低对噬菌体DNA复制的抑制作用，A为感染携带gp58-sfGFP的Goslar噬菌体的NT和ChmA敲低（ChmAg1）细胞；B为细胞内gp58-sGFP焦点与噬菌体DNA相关的百分比；C为感染野生型Goslar噬菌体的NT和ChmA敲低（ChmAg1）细胞）。这表明噬菌体细胞核对于噬菌体的复制至关重要，只有当病毒基因组从EPI囊泡转移到噬菌体细胞核后，DNA复制才能启动。

进一步研究发现，在感染过程中，噬菌体基因组会从EPI囊泡转移到相邻组装的新生噬菌体细胞核中（图6：A通过时间进程荧光显微镜展示了这一过程，白色箭头指示DAPI染色的噬菌体DNA，黄色为所有膜（MTG），青色为DNA；B为放大后的EPI囊泡和噬菌体细胞核图像；C为不同时间点MTG焦点与噬菌体DNA和mCherry-ChmA的空间关系百分比）。研究人员通过标记EPI囊泡膜、噬菌体DNA和噬菌体细胞核，观察到随着感染时间的推移，噬菌体DNA逐渐从EPI囊泡转移到噬菌体细胞核中。这一转移过程保证了病毒基因组在不同阶段的安全保护和正常复制。

这项研究首次揭示了EPI囊泡在噬菌体感染过程中的重要作用，它作为一个转录活跃的核前阶段，为噬菌体感染的早期阶段提供了关键支持。同时，研究也明确了噬菌体细胞核对于病毒复制的不可或缺性。不过，研究人员也指出，EPI囊泡的形成机制以及基因组转移到噬菌体细胞核的具体过程仍有待进一步研究。未来，对这些机制的深入探索将有助于我们更全面地了解噬菌体与细菌之间的相互作用，为开发新型抗菌策略和生物技术应用提供理论基础。

参考文献：

ARMBRUSTER E G, RANI P, LEE J, et al. Sequential membrane- and protein-bound organelles compartmentalize genomes during phage infection [J]. Cell Host & Microbe, 2025, 33(4): 484-97.e6.