中國科大噬藻體與藍(lán)藻互作機(jī)制研究取得新進(jìn)展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部周叢照教授課題組，利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析侵染模式藍(lán)藻—魚腥藻PCC 7120的肌尾噬藻體A-1(L)尾部機(jī)器的完整三維結(jié)構(gòu)，結(jié)合一系列生化實驗鑒定多個識別和水解宿主的關(guān)鍵功能模塊，并基于結(jié)構(gòu)信息重注釋其基因組，揭示A-1(L)與其特異性宿主藍(lán)藻相互作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和分子機(jī)制，相關(guān)成果以“Structure of the intact tail machine of Anabaena myophage A-1(L)”為題于2024年3月26日在線發(fā)表在《Nature Communications》上。

藍(lán)藻利用光能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，參與調(diào)控生物圈的碳氮循環(huán)。頻繁的人類活動引起水生生態(tài)系統(tǒng)中氮磷的輸入量急劇增加，導(dǎo)致嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化，藍(lán)藻大量繁殖而形成水華。噬藻體作為特異性侵染藍(lán)藻的噬菌體，與宿主相互作用可引發(fā)宿主細(xì)胞裂解或代謝重編程，參與水生生態(tài)系統(tǒng)的能量分流和物質(zhì)循環(huán)、藍(lán)藻種群密度和豐度的調(diào)節(jié)等。然而，噬藻體通常具有極強(qiáng)的宿主特異性，且目前噬藻體的研究主要集中在海洋噬藻體，對淡水噬藻體與宿主之間相互作用的深入研究仍然較少。這極大限制了噬藻體的工程化改造，以及將其作為一種環(huán)境友好的制劑應(yīng)用于調(diào)控藍(lán)藻水華。

魚腥藻PCC 7120是一種絲狀固氮藍(lán)藻，具有成熟的遺傳操作系統(tǒng)，已成為研究藍(lán)藻的理想模式生物。A-1(L)是一株于20世紀(jì)70年代分離的肌尾噬藻體，能夠特異性侵染魚腥藻PCC 7120，在與宿主長期進(jìn)化過程中相生相殺。因此，噬藻體A-1(L)與魚腥藻PCC 7120可作為研究噬藻體和藍(lán)藻相互作用的理想模型。

在前期報道A-1(L)正二十面體衣殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上（JournalofVirology, 2021），研究人員進(jìn)一步解析其三組分尾部機(jī)器的結(jié)構(gòu)，包括頸部、尾部和附著的纖維（圖一）。頸部由十二聚體門戶蛋白、十五聚體接頭蛋白和六聚體連接蛋白組成，外側(cè)錨定著五根獨立組裝的串珠狀頸部纖維?？墒湛s的尾部由24個尾管蛋白六元環(huán)和24個尾鞘蛋白六元環(huán)圍繞著中央的卷尺蛋白組成。尾部末端榫卯結(jié)構(gòu)的基板包含五個組分：尾尖蛋白-中心蛋白組成的中央三聚體核心，兩種構(gòu)象的六個栓塞蛋白亞基連接內(nèi)部的三聚體核心和外部六重對稱的楔形蛋白異源三聚體。六根長尾纖和六根短尾纖成對折疊，其中一端固定在基板上，另一端折回貼近衣殼。通過結(jié)構(gòu)分析結(jié)合生化實驗進(jìn)一步鑒定基板中心蛋白的雙重水解活性和兩種尾纖的受體結(jié)合活性（圖二）。此外，A-1(L)的完整結(jié)構(gòu)幫助我們重注釋了其基因組，將注釋基因的比例提高至60%。該研究有助于我們深入理解噬藻體與宿主藍(lán)藻相互作用的分子機(jī)制，為將來開發(fā)環(huán)境友好型底盤噬藻體奠定理論基礎(chǔ)。

圖一 噬藻體A-1(L)尾部機(jī)器的完整結(jié)構(gòu)

圖二 A-1(L)基板中心蛋白的雙重水解活性和兩種尾纖的受體結(jié)合活性