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中國科學技術大學生命科學與醫學部周叢照教授課題組利用冷凍電鏡單顆粒技術解析特異性侵染模式魚腥藻的淡水短尾噬藻體A4的完整三維結構，揭示其衣殼的雙層加固機制以及衣殼內部關鍵侵染元件前注射體的原位組裝模式，首次闡明病毒基因組在前注射體上的包裝模式，相關研究成果以“Cryo-EM structure of cyanopodophage A4 reveals a pentameric pre-ejectosome in the double-stabilized capsid”為題于3月31日在線發表在《美國國家科學院院刊》上。

藍藻是淡水生態系統中重要的光合微生物，但其過度增殖將導致水體富營養化，并引發藍藻水華。噬藻體作為藍藻的天然“捕食者”，可裂解宿主并調控藍藻的種群平衡，在水環境保護過程中發揮著重要作用。魚腥藻PCC 7120是研究淡水藍藻生理與遺傳的模式生物，可被短尾噬藻體A4特異性侵染。短尾噬藻體由于尾長受限，侵染時需要由衣殼內的前注射體（pre-ejectosome）在宿主細胞膜間重構跨膜通道，以輔助病毒完成基因組注射。前注射體通常由多個蛋白高度壓縮形成，但對其原位構象的研究十分有限，極大地限制對噬藻體基因組包裝與侵染機制的深入理解。

作者利用質譜分析鑒定出噬藻體A4的11種結構蛋白，隨后通過冷凍電鏡技術解析A4的完整三維結構，發現其衣殼由兩類不同折疊類型的裝飾蛋白（cementprotein）共同加固。其中，主要裝飾蛋白gp37以二聚體形式穩定衣殼，而輔助裝飾蛋白gp25則以三聚體形式進一步協同加固，形成雙層穩定結構（圖1）。A4衣殼內部的前注射體由四種注射蛋白gp29~gp26通過類似“榫卯結構”的方式組裝，由內到外形成三層同軸復合體，最終構成五聚體的前注射體。結構分析首次清晰揭示病毒基因組在前注射體上的包裝模式：前注射體外側環繞著七圈雙鏈DNA（dsDNA），其中第一圈dsDNA緊密結合在前注射體最外層gp27-gp26的堿性溝槽中，揭示病毒基因組包裝的起始錨定位點。基于前注射體的原位結構并結合前期研究，作者提出短尾噬藻體可能的基因組包裝過程和注射機制。該研究首次闡明短尾噬藻體前注射體的精確組裝模式，以及其與基因組包裝的協同效應，為理解短尾噬藻體的侵染機制提供結構基礎，有助于A4作為底盤噬菌體在合成生物學中的應用。

圖1 噬藻體A4的完整結構（A-B）及其衣殼內的前注射體結構（C-D）

中國科大周叢照教授、李瓊副教授和中國科學院水生所張奇亞教授為該論文的共同通訊作者，中國科大博士研究生侯普和博士后周睿倩為該論文的共同第一作者。冷凍電鏡數據采集工作在中國科大冷凍電鏡中心完成，質譜分析依托生命科學實驗中心平臺。上述研究得到國家自然科學基金、中央高校基礎科研業務費和安徽省科技廳的資助。李瓊感謝安徽省青年科技人才托舉計劃的支持。

全文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2423403122

（生命科學與醫學部、科研部）