2篇Cell！突破！王冯斌等首次发现纺锤形病毒从古细菌棒状病毒进化的分子机理

本文转自 iNature
纺锤形或柠檬形病毒在不同环境中感染古生菌。由于这些病毒体的高度多形性，可以发现从纺锤形体发出的圆柱形尾巴，这些衣壳的结构研究一直具有挑战性。2022年3月23日，弗吉尼亚大学Edward H. Egelman及法国巴斯德研究所Mart Krupovic（王冯斌为第一作者）在Cell 在线发表题为“Spindle-shaped archaeal viruses evolved from rod-shaped ancestors to package a larger genome”的研究论文，该研究确定了硫化叶单尾病毒 1 的衣壳的原子结构，这种病毒会感染生活在几乎沸腾的酸中的宿主。一种高度疏水的蛋白质，可能在病毒粒子组装之前整合到宿主膜中，形成 7 条链，在尾部和纺锤体中相互滑过。该研究观察到尾管扩张时发生的离散步骤，这是由于直径发生了显著变化，但仍与相邻亚基保持高度保守的准等效相互作用。该研究结果显示螺旋组件如何改变它们的直径，变得接近球形以包装更大的基因组，并表明所有纺锤形病毒是如何从古细菌棒状病毒进化而来的。另外，2019年5月20日，弗吉尼亚大学Egelman教授，王冯斌博士和他们的合作实验室(法国巴斯德研究所的David Prangishvili和Mart Krupovic课题组)在Nature Microbiology上发表题为“Structure of An extensively glycosylated archaeal pilus survives extreme conditions”的文章，该研究在没有任何菌毛蛋白序列的信息的前提下，凭借cryo-EM分辨率达到4.1Å的成像，直接建立了完整的的原子S. islandicus菌毛模型。这波操作怎么形容呢，可以说是相当于越了三个塔，直接在温泉强杀了敌方英雄。另外该研究还发现S. islandicus菌毛不仅不怕高温，哪怕把该菌毛放在5M的盐酸胍里加热到100度°C半小时，它也依然“微微一笑”完好如初。2019年4月5日，弗吉尼亚大学Egelman教授，王冯斌博士和他们的合作实验室(Yale的Malvankar课题组和UC Irvine的Hochbaum课题组)在Cell上发表题为“Structure of Microbial Nanowires reveals stacked hemes that transport electrons over micrometers”的文章，该研究建立了完整的地细菌纳米线的原子模型，分辨率达到3.7Å。令人惊叹的是，研究人员发现组成纳米线的并不是type IV pilin，而是整个纳米线都由一种C型细胞色素蛋白OmcS构成。这是科学家们第一次发现细胞色素能够形成类似菌毛的结构。这种结构解释了土壤细菌将电子传输到远程电子受体以进行呼吸和能量共享的显着能力。

衣壳是病毒的标志，将它们与所有其他类型的移动遗传元件区分开来。数十亿年来，病毒在多个独立的场合从非同源和结构上不相关的蛋白质中“发明”了衣壳。然而，大多数已知病毒将其基因组包装成二十面体或丝状螺旋蛋白衣壳（如果被额外的层（例如脂质膜）包围，也称为核衣壳）。众所周知，感染古生菌的病毒会通过产生具有独特、奇形怪状形态的病毒粒子来偏离这种一般范式，而这些病毒粒子在细菌或真核病毒中未观察到。这种古细菌特有的病毒体结构类似于液滴、香槟瓶或纺锤体。具有纺锤形（或柠檬形）病毒体的病毒在各种极端和中等环境中特别常见，并感染来自 Crenarchaeota、Euryarchaeota  和 Thaumarchaeota 门以及 Asgardarchaeota 的广泛古细菌谱系，Asgardarchaeota 是一组被广泛认为代表真核生物最近的古菌亲属。由于在古细菌中的广泛分布，有人提出纺锤形病毒与最后一个古细菌共同祖先有关，甚至可能与最后一个通用细胞祖先（LUCA）有关。根据病毒体特征和基因组关系，大多数纺锤形病毒分为两类。其中一类包括较小的纺锤形病毒，分为梭形病毒科（例如，硫化叶梭形病毒 1 [SSV1]）、哈斯皮病毒科（例如，盐古菌病毒 His1）和沙螺病毒科（例如，亚硝化梭形病毒 1 [NSV1]） ]) 以及几种未分类的病毒。这些病毒编码含有两个疏水性、潜在跨膜结构域的同源主要衣壳蛋白 (MCP)，并通过类似出芽的机制从宿主细胞中挤出而不导致细胞裂解。尝试通过冷冻电镜确定 SSV1和 His1的结构并没有产生原子模型，也没有提供对病毒粒子组织的了解。第二类包括具有较大病毒粒子和基因组的双尾病毒科成员。这种病毒组合的一个特征是存在从纺锤体的一个或两个尖端发出的“尾巴”。值得注意的是，据报道，Acidianus 双尾病毒 (ATV) 和硫化叶单尾病毒 1 (SMV1) 在细胞外发育尾巴，这种转化的唯一要求是在接近自然栖息地温度（75°C-90 °C）。有人提出，病毒编码的 MoxR 型 AAA+ ATP 酶和含有 von Willebrand 结构域 A 的 cochaperone 通过水解储存在病毒体中的 ATP ，在此过程中发挥积极作用。然而，尚未阐明宿主细胞外这种病毒粒子形态发生的确切机制。其他双尾病毒，即酸尾梭形病毒 (ATSV) 和硫化叶杆菌梭形病毒 1 和 2（分别为 STSV1 和 STSV2）从细胞中释放出来，其尾部从病毒粒子的一个极延伸，并且不进行进一步的转化。 值得注意的是，在感染后，STSV2 和 SMV1 会阻止正常细胞分裂，将宿主细胞转变为一个巨大的病毒粒子生产工厂，与未感染的细胞相比，其规模高达 20 倍。可溶性结构蛋白被反复鉴定为双尾病毒病毒体的主要成分，与第一类较小的纺锤形病毒无关，这表明这两类病毒在进化上是不同的。该蛋白质已针对 ATV 和 ATSV 结晶，并显示出四螺旋束折叠。

文章模式图（图源自Cell ）
丝状和球形衣壳（分别显示螺旋和二十面体对称性）体现了由病毒基因组固有的“遗传经济”原则决定的最简单的病毒粒子设计，因此，相对较大的衣壳是由少量不同的蛋白质亚基以在整个衣壳中相同的方式相互作用的方式构建的。对于二十面体病毒，Caspar 和 Klug 提出，衣壳体之间的相互作用是准等价的（而不是相同的），并发展了准等价理论，可以预测更大的二十面体衣壳中衣壳体的排列。复杂的衣壳（例如纺锤形病毒的衣壳）是如何组织的以及它们是如何进化的，目前还不清楚。尽管已经为古细菌病毒中纺锤形的几何基础假设了两个理论模型，但它们与这些病毒的实际结构无关。同样，研究人员可以证明 ATV和 ATSV中假定的 MCP 的晶体结构不是 MCP，而是不相关的病毒蛋白。由于纺锤形病毒似乎是从古细菌棒状病毒进化而来的，研究结果解释了为什么迄今为止仅观察到纺锤形病毒感染古细菌。该研究确定了硫化叶单尾病毒 1 的衣壳的原子结构，这种病毒会感染生活在几乎沸腾的酸中的宿主。一种高度疏水的蛋白质，可能在病毒粒子组装之前整合到宿主膜中，形成 7 条链，在尾部和纺锤体中相互滑过。该研究观察到尾管扩张时发生的离散步骤，这是由于直径发生了显著变化，但仍与相邻亚基保持高度保守的准等效相互作用。该研究结果显示螺旋组件如何改变它们的直径，变得接近球形以包装更大的基因组，并表明所有纺锤形病毒是如何从古细菌棒状病毒进化而来的。