《Nature Communications》：In situ structures of the portal-neck-tail complex of bacteriophage T4 inform a viral genome positioning mechanism
编辑推荐：
本研究旨在阐明噬菌体基因组包装终止后的病毒组装机制。研究人员通过近原子分辨率冷冻电镜（cryo-EM）解析了T4噬菌体门户-颈-尾复合物的原位结构，揭示了基因组“头满”包装后，门户（portal）的构象变化可触发包装终止，而颈（neck）的构象重排则打开“基因组门”，在内部压力驱动下，DNA被定位并压缩于尾管内，最终形成一种“压力悬浮、待机喷射”的基因组预备状态，从而阐明了感染性病毒颗粒组装的分子基础。
病毒，作为一类只能在活细胞内寄生的非细胞生命体，其自身结构却呈现出惊人的精密与高效。以感染细菌的噬菌体为例，它们就像一个微型的、自动化的分子注射器。其典型的“头-颈-尾”结构分工明确：头部装载着遗传物质DNA，尾部则负责识别宿主并将其“注射”进去。然而，一个核心的谜题长期以来困扰着科学家：在头部完成DNA的高密度、高压“头满”（headful）包装后，病毒是如何精确调控一系列后续步骤，包括终止包装、替换掉巨大的包装“马达”、组装尾部，并最终将DNA“悬停”在发射位置，准备好在遇到宿主细胞时瞬间将其注入的？这些步骤环环相扣，任何一环的失误都可能导致感染失败。在噬菌体T4乃至更广泛的病毒中，基因组从包装完成到预备喷射的这一系列“后基因组包装”机制，其结构基础和分子细节仍不甚清晰。解决这一难题，不仅是对病毒生命周期的深刻洞察，也有望为抗病毒药物设计或新型纳米递送系统开发提供全新的思路。
为了揭开这一“黑箱”过程，一个研究团队在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上发表论文，题为“In situ structures of the portal-neck-tail complex of bacteriophage T4 inform a viral genome positioning mechanism”。他们综合运用了多项关键技术。其中，近原子分辨率的单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）技术是核心，它使得研究者能够在不破坏病毒结构的前提下，以惊人的细节解析其关键复合物的三维结构。研究团队制备了T4噬菌体的病毒颗粒样品，并通过冷冻电镜技术分别解析了门户-颈复合物（portal-neck complex）以及完整的门户-颈-尾复合物（portal-neck-tail complex）的高分辨率结构。此外，他们还可能运用了冷冻电子断层扫描（cryo-electron tomography）等技术来辅助分析病毒颗粒的整体构象。这些高分辨率的原位结构，为阐明构象变化驱动的动态组装过程提供了直接证据。
高分辨率结构揭示门户蛋白的构象变化
研究人员首先解析了门户-颈复合物的结构，这个复合物是连接病毒头部和尾部、调控DNA进出的关键阀门。他们发现，在DNA“头满”包装后，病毒头部内部产生巨大压力，这驱动了门户（portal）结构发生全局性的构象变化。门户是位于头部顶点的一个十二聚体环状结构，是包装马达的附着点和DNA进出的唯一通道。这种压力诱导的构象改变，很可能就是终止基因组包装并“弹出”（eject）庞大包装马达的分子开关。
颈部的构象重排打开了“基因组门”
接下来，当预组装的尾部（tail）对接（docking）到已密封的颈部（neck）上时，结构分析揭示了颈部发生了显著的构象变化。这种重排直接导致了一个关键的“基因组门”（genome-gate）被打开。这扇门的开启，为高压储存于头部的DNA提供了向下游（即尾部）移动的通道。
压力驱动基因组在尾管内的精确定位
随着“基因组门”的打开，在包装DNA产生的内部压力驱动下，基因组DNA开始通过开放的颈部通道。DNA进入尾部管道后，并非随机分布，而是会结合并压缩原本驻留在尾管内的“卷尺蛋白”（tape-measure protein），这是一种帮助确定尾部正确长度的蛋白质。最终，DNA的“旅程”在尾管内部、位于从顶部往下数第二层盘状结构（second topmost disk of the tail tube）的底部停了下来。此时，基因组以一种独特的“压力悬浮”状态，稳定存在于病毒最内部的隧道中，并被一个基板塞（baseplate plug）进一步锁定。
这项研究通过高分辨率的原位结构解析，系统阐明了噬菌体T4在基因组包装完成后，组装成感染性病毒颗粒的精细过程，并提出了一个“组装与构象驱动的基因组定位机制”。其核心结论是：基因组“头满”包装产生的内部压力，是驱动后续一系列构象变化和组装事件的原始动力。 压力首先触发门户的构象变化，终止包装并释放马达；随后，尾部对接诱导颈部构象重排，打开基因组通道；最终，压力推动DNA进入并压缩尾管内的卷尺蛋白，将其精确定位在预备发射的位置，并由基板塞固定。这种“压力悬浮、待机喷射”的状态，确保了病毒在接收到宿主识别信号时，能够以极高的效率将遗传物质注入宿主细胞。这项工作不仅为理解T4噬菌体，也为理解其他具有类似结构的病毒（包括一些动物病毒）的组装与感染机制提供了重要的结构框架和分子模型，是病毒学领域的一项重要进展。
