《Nature Communications》：Structure of a Brochothrix thermosphacta bacteriophage reveals cell wall adsorption mechanism in Gram-positive infecting siphophages
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本研究针对革兰氏阳性菌感染性长尾噬菌体(siphophage)的吸附机制不明确这一科学问题，通过冷冻电镜(cryo-EM)解析了Brochothrix thermosphacta噬菌体NF5的近原子分辨率结构，并结合冷冻电子断层扫描(cryo-ET)技术揭示了其感染过程中的关键分子事件。研究团队成功构建了NF5衣壳、门户复合体、颈部、尾管和基板的原子模型，发现其基板结构与革兰氏阴性菌感染性长尾噬菌体存在显著差异，提出了革兰氏阳性菌感染性长尾噬菌体从宿主识别到基因组释放的完整工作机制，为理解噬菌体-宿主相互作用及开发抗菌疗法提供了重要结构基础。
在微生物世界的军备竞赛中，噬菌体作为细菌病毒，以其精准的靶向性成为对抗病原菌的潜在利器。然而，面对坚固的革兰氏阳性菌细胞壁这道天然屏障，噬菌体如何成功突破防御实现感染，其分子机制始终笼罩在神秘面纱之下。与革兰氏阴性菌相比，革兰氏阳性菌缺乏外膜但拥有更厚的肽聚糖层，这种根本性的细胞包膜结构差异意味着感染机制必然存在特异性。尽管近年来冷冻电镜技术的突破让我们看清了多种感染革兰氏阴性菌的长尾噬菌体(siphophage)的精细结构，但针对革兰氏阳性菌的长尾噬菌体高分辨率结构信息却极为匮乏，此前仅有结核分枝杆菌噬菌体Bxb1达到近原子分辨率，这严重制约了我们对这类噬菌体感染机制的理解。
Brochothrix thermosphacta作为一种革兰氏阳性腐败菌，在低温储存的肉制品中极易繁殖，导致严重的经济损失。利用噬菌体特异性控制此类致病菌已成为食品保鲜领域的前沿方向。然而，缺乏精确的结构生物学信息使得理性设计高效噬菌体疗法面临瓶颈。湖南师范大学刘宏荣团队聚焦这一挑战，在《Nature Communications》上发表了关于Brochothrix thermosphacta噬菌体NF5的高分辨率结构研究，首次揭示了革兰氏阳性菌感染性长尾噬菌体的完整结构框架及其细胞壁吸附机制。
研究人员综合运用单颗粒冷冻电镜(cryo-EM)和细胞冷冻电子断层扫描(cryo-ET)技术，对噬菌体NF5进行了系统性结构解析。他们首先从Brochothrix thermosphacta NF4 HER1188宿主菌中扩增并纯化NF5颗粒，通过冷冻电镜收集了19,681组电影数据进行高分辨率结构解析。同时，利用冷冻聚焦离子束(cryo-FIB)减薄技术制备感染细胞的冷冻薄片，通过冷冻电子断层扫描直接观察NF5侵染宿主菌的动态过程。
研究结果显示，NF5颗粒呈现典型的长尾噬菌体形态，头部为T=7二十面体衣壳，直径约68纳米，由415个主要衣壳蛋白(MCP) gp7构成。头部通过十二聚体门户蛋白(gp3)与颈部结构相连，颈部包含十二聚体适配器蛋白(gp8)和六聚体制动器蛋白(gp9)。尾管长约135纳米，由六聚体尾终止蛋白(gp11)和24个堆叠的尾管蛋白(TTP) gp12六聚体环组成，内部贯穿三聚体尾尺蛋白(TMP) gp15。
最引人注目的是基板结构的精细解析。NF5基板核心由六聚体远端尾蛋白(DTP) gp16、三聚体尾部相关溶菌酶(Tal) gp17和TMP C端组成。gp16的N端结构域与尾管末端相互作用，其半乳糖凝集素样结构域与Tal蛋白结合。gp17作为关键功能蛋白，其N端包含六个保守的枢纽结构域(HD I-VI)，中心形成三聚体α螺旋束构成的“栓塞”结构，封闭尾管腔道。C端预测具有肽聚糖降解酶活性，可能在感染过程中负责细胞壁穿孔。
基板外周区域由六个受体结合蛋白(RBP) gp18三聚体和六个侧纤维蛋白(SFP) gp19三聚体构成。gp18包含茎部、平台和塔楼三个结构域，其中平台域的β螺旋桨折叠负责受体识别，塔楼域结构与磷酸壁酸生物合成蛋白和溶菌酶同源，提示其可能参与细胞壁降解。gp19则被发现兼具锚定和受体识别双重功能，其N端免疫球蛋白样结构域与基板结合，C端受体结合域与多种革兰氏阳性菌噬菌体的RBP同源。
冷冻电子断层扫描揭示感染动态过程
通过分析感染不同阶段的噬菌体颗粒，研究人员重构了NF5的感染轨迹。阶段1显示基板以倾斜角度接触细胞壁，此时衣壳内基因组密度完整；阶段2基板转为垂直取向并更贴近细胞壁，SFP发生构象变化；阶段3衣壳基因组密度显著减弱，表明基因组正在释放，同时在周质区域观察到约3.6纳米的通道样结构；阶段4衣壳和尾管均呈空腔状态，表明基因组释放完成。这些观察表明TMP可能在感染过程中形成跨膜通道，保护噬菌体DNA免受周质核酸酶降解。
结构比较揭示宿主适应性进化
与革兰氏阴性菌感染性长尾噬菌体相比，NF5基板结构展现出显著差异。DTP中普遍存在的半乳糖凝集素样结构域在革兰氏阳性菌噬菌体中高度保守，而革兰氏阴性菌噬菌体DTP则缺乏此结构。此外，革兰氏阳性菌噬菌体DTP通常具有延伸的N端臂或额外结构域，用于锚定宿主吸附装置，这种结构分化反映了噬菌体对不同宿主细胞壁结构的适应性进化。
研究结论表明，NF5通过其基板外周蛋白(RBP和SFP)实现初始宿主识别，随后Tal蛋白的β螺旋结构域定位至细胞壁并启动肽聚糖降解。构象变化导致Tal栓塞开放，释放TMP并形成跨膜通道，最终完成基因组注入。这项研究首次从原子水平揭示了革兰氏阳性菌感染性长尾噬菌体的完整结构框架，提出了其细胞壁吸附和基因组递送的分子机制模型。不仅深化了对噬菌体-宿主相互作用的理解，更为理性设计针对革兰氏阳性病原菌的噬菌体疗法提供了关键结构基础，在食品保鲜和医学抗感染领域具有重要应用前景。
