摘要：加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家們正在使用新技術(shù)，以前所未有的方式了解病毒內(nèi)部，以及它們感染和消滅細(xì)菌的獨(dú)特能力。通過冷凍電鏡和其他技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)巨型噬菌體細(xì)胞具有與人類細(xì)胞核驚人相似的隔間。

人類并不是病毒的唯一目標(biāo)。和我們一樣，細(xì)菌也會受到多種病毒的感染。事實(shí)上，數(shù)十億年來，細(xì)菌和病毒一直在進(jìn)行一場不間斷的生存進(jìn)化軍備競賽，包括無數(shù)的創(chuàng)新和反適應(yīng)。最近，生物醫(yī)學(xué)科學(xué)家對被稱為噬菌體的病毒越來越感興趣，這種病毒可以感染并殺死危險(xiǎn)的細(xì)菌。噬菌體是地球上數(shù)量最多的生物，現(xiàn)在被認(rèn)為是對抗細(xì)菌感染的一種很有前途的工具，因?yàn)榭茖W(xué)正在為抗生素耐藥性不斷上升的浪潮尋找新療法。科學(xué)家們想要解開噬菌體在與細(xì)菌持續(xù)沖突中進(jìn)化策略的秘密。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的一組不同專業(yè)的研究人員現(xiàn)在利用新技術(shù)，為之前未被認(rèn)識的噬菌體生物結(jié)構(gòu)和過程提供了見解。他們發(fā)表在《Nature》雜志上，對一個(gè)被稱為“巨型噬菌體”的研究不足的家族以及它們對細(xì)菌的防御能力進(jìn)行了前所未有的研究。

圖1 關(guān)于巨型噬菌體的研究（圖源：[1]）

來自伊麗莎白·維拉(Elizabeth Villa)、凱文·科比特(Kevin Corbett)和喬·波利亞諾(Joe Pogliano)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，巨型噬菌體細(xì)胞構(gòu)建了一個(gè)“屏蔽室”，其作用類似于人類和動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞核，保護(hù)病毒復(fù)制和傳播所需的核心遺傳物質(zhì)。研究團(tuán)隊(duì)首次使用領(lǐng)先的技術(shù)，包括用于細(xì)胞成像的最高分辨率的冷凍電子顯微鏡和斷層掃描，描述了核樣隔間的結(jié)構(gòu)。

Villa是加州大學(xué)圣地亞哥分校生物科學(xué)學(xué)院的副教授，也是霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員，他說:“這是一種不同的分隔，不同于我們在自然界中所見的任何東西。我們能夠描述這個(gè)隔間——它是如何在最基本的層面上組裝和功能的——從每個(gè)原子到整個(gè)生物體的規(guī)模。”

化學(xué)和生物化學(xué)系教授Rommie Amaro和她的同事隨后應(yīng)用最先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)來模擬噬菌體結(jié)構(gòu)的功能和顯著的靈活性。研究人員發(fā)現(xiàn)，這個(gè)隔間允許某些關(guān)鍵部件進(jìn)入，同時(shí)作為一種抵御細(xì)菌威脅的防御機(jī)制。Villa說:“這些發(fā)現(xiàn)向我們展示了噬菌體生物學(xué)的一個(gè)全新時(shí)代。外殼是一個(gè)不斷增長的保護(hù)屏障，但它也必須輸入和輸出一些東西，它以極致的精度和選擇性做到這一點(diǎn)。這是一種非常奇怪的生物學(xué)現(xiàn)象。”研究人員發(fā)現(xiàn)，噬菌體的核狀外殼由單一蛋白質(zhì)組裝而成。鑒于其在噬菌體防御中的作用，他們將這種蛋白質(zhì)命名為chimallin，名字源自古代武士阿茲特克之盾。

低溫電子斷層掃描技術(shù)提供了一個(gè)巨大的噬菌體感染細(xì)菌細(xì)胞的視圖(左上)，與核樣室概述為藍(lán)色(右上)。細(xì)胞的特寫(左下)顯示了新發(fā)現(xiàn)的嵌合蛋白和嵌合蛋白的方形格子設(shè)計(jì)(右下)，黃色突出了單個(gè)嵌合蛋白的外殼成分。

該研究的合著者、分子生物系教授喬·波利亞諾(Joe Pogliano)已經(jīng)研究這些噬菌體超過10年了。他認(rèn)為，形成細(xì)胞核的噬菌體可能是更好的噬菌體治療細(xì)菌感染，因?yàn)樗鼈兊倪M(jìn)化可以自然抵抗多種細(xì)菌防御系統(tǒng)。“隨著噬菌體療法的發(fā)展，我們需要更多地了解這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的噬菌體細(xì)胞核，因?yàn)樗坪跏故删w更好地攻擊細(xì)菌，”Pogliano說。包括Pogliano在內(nèi)的研究人員將與加州大學(xué)圣地亞哥分校噬菌體創(chuàng)新應(yīng)用和治療中心的專家合作，該中心是北美第一個(gè)專門的噬菌體治療中心。“現(xiàn)在我們知道某些噬菌體有一個(gè)屏障，我們可以把它賦予其他噬菌體，制造出更擅長噬菌體治療和克服細(xì)菌防御的‘超級噬菌體’。這個(gè)過程的第一步是了解構(gòu)成屏障的嵌合蛋白的結(jié)構(gòu)，這也是這項(xiàng)工作如此重要的原因之一。”

細(xì)胞與分子醫(yī)學(xué)系的Kevin Corbett教授為研究小組增添了生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面的專業(yè)知識。他將這些發(fā)現(xiàn)描述為趨同進(jìn)化的一個(gè)例子，即遠(yuǎn)親生物找到相似的方法來解決問題。“真核生物的核孔是一個(gè)巨大、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它以非常獨(dú)特的方式將大多數(shù)蛋白質(zhì)擋在外面，但特別地引入其他蛋白質(zhì)。我們可能正在研究的巨型噬菌體是一個(gè)非常簡單的方法來解決同樣的問題，”Corbett說。“這是一個(gè)非常有創(chuàng)意的解決方案——類似但更簡單——通過建立一堵墻將其與細(xì)菌的防御系統(tǒng)隔離，從而保護(hù)其基因組不受外界的影響。”

第一作者之一、生物科學(xué)博士后托馬斯·勞克林(Thomas Laughlin)領(lǐng)導(dǎo)了巨型噬菌體隔間的可視化研究。利用加州大學(xué)圣地亞哥分校獨(dú)有的設(shè)施和技術(shù)資源，并與共同第一作者阿馬爾·迪普(Amar Deep)和合作實(shí)驗(yàn)室的其他成員合作，他們幫助描述了從微米到原子的隔間的特征，以幫助破譯它的功能。Laughlin說，他最驚訝的發(fā)現(xiàn)是，這個(gè)隔室是由多個(gè)嵌合蛋白的副本組成的，排列成一個(gè)正方形的格子，或漁網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。由于蜂窩(六邊形)結(jié)構(gòu)在自然界中更為常見，Laughlin和團(tuán)隊(duì)的其他成員沒有預(yù)料到隔間的結(jié)構(gòu)下會有如此簡單的結(jié)構(gòu)。他們對巨型噬菌體及其隔間的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了更多的問題，包括某些成分是如何在噬菌體殼內(nèi)外加工的。“我們現(xiàn)在知道了成熟噬菌體細(xì)胞核隔間的基本結(jié)構(gòu)，但我們想知道它最初是如何組裝的，”Laughlin說。“在感染的早期階段，什么是它們的生物起源?一旦病毒將其基因組注入宿主細(xì)菌中，這一切是如何開始的?”

[1]Architecture and self-assembly of the jumbo bacteriophage nuclear shell