使用低温电子显微镜观察葡萄球菌噬菌体的原子结构

阿拉巴马大学伯明翰分校的研究人员使用冷冻电子显微镜以前所未有的细节揭示了细菌病毒的结构。这是能够感染表皮葡萄球菌的病毒的第一个结构，高分辨率的结构知识是病毒生物学与该病毒用于抑制细菌感染的潜在治疗用途之间的关键联系。

噬菌体或“噬菌体”是用于感染细菌的病毒的术语。由 Terje Dokland 博士领导的 UAB 研究人员与伊利诺伊大学香槟分校的 Asma Hatoum-Aslan 博士合作，描述了 11 种不同结构蛋白的全部或部分的原子模型噬菌体安得拉。该研究发表在《科学进展》上。

Andhra 是微小病毒组的成员。其宿主范围仅限于表皮葡萄球菌。这种皮肤细菌大多是良性的，但也是留置医疗设备感染的主要原因。伊利诺伊大学噬菌体生物学家 Hatoum-Aslan 说：“在噬菌体收集物中很少发现微小病毒，并且在治疗应用方面仍未得到充分研究和利用。”

随着表皮葡萄球菌和相关病原体金黄色葡萄球菌出现抗生素耐药性，研究人员重新对可能使用噬菌体治疗细菌感染产生了兴趣。微小病毒总是在与细菌细胞壁结合后杀死它们感染的细胞，通过酶促突破细胞壁，穿透细胞膜并将病毒 DNA 注入细胞。它们还具有其他特性，使其成为治疗用途的有吸引力的候选者，包括小基因组和无法在细菌之间转移细菌基因。

了解安得拉邦的蛋白质结构以及了解这些结构如何让病毒感染细菌，将有可能利用基因操作生产针对特定目的定制的噬菌体。

“感染金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的噬菌体之间宿主特异性的结构基础仍然知之甚少，” UAB微生物学教授兼 UAB 冷冻电子显微镜核心主任 Dokland 说。“通过目前的研究，我们对 Andhra 基因产物的结构和功能以及宿主特异性的决定因素有了更好的了解，为更合理地设计用于治疗应用的定制噬菌体铺平了道路。我们的研究结果阐明了病毒粒子组装、宿主识别和渗透的关键特征。”

葡萄球菌噬菌体通常可以感染的细菌范围很窄，这取决于不同细菌菌株表面壁磷壁酸的可变聚合物。“这种狭窄的宿主范围是一把双刃剑：一方面，它允许噬菌体只针对引起疾病的特定病原体;另一方面，这意味着噬菌体可能需要针对每个特定病例进行定制，”Dokland 说。

Andhra 的总体结构是一个包含病毒基因组的 20 面圆形二十面体衣壳头。衣壳附着在一条短尾巴上。尾巴主要负责与表皮葡萄球菌结合并通过酶促破坏细胞壁。病毒 DNA 通过尾巴注入细菌。尾巴的部分包括从衣壳到尾巴的入口，以及茎、附肢、节和尾尖。

构成每个病毒颗粒的 11 种不同蛋白质存在于组装在一起的多个副本中。例如，衣壳由两种蛋白质各 235 个拷贝组成，其他九种病毒体蛋白质的拷贝数从 2 到 72。病毒体总共由 645 个蛋白质片段组成，其中包括第 12 种蛋白质的两个拷贝，其结构是使用蛋白质结构预测程序 AlphaFold 预测的。

UAB 微生物学系 Dokland、Hatoum-Aslan 和共同第一作者 N'Toia C. Hawkins 博士和 James L. Kizziah 博士描述的原子模型显示了每种蛋白质的结构— 如 alpha-螺旋、beta-螺旋、beta-链、beta-桶或 beta-棱镜等分子语言中所述。研究人员描述了每种蛋白质如何与相同蛋白质类型的其他拷贝结合，例如构成衣壳的六聚体和五聚体面，以及每种蛋白质如何与相邻的不同蛋白质类型相互作用。

电子显微镜使用一束加速电子来照亮物体，提供比光学显微镜高得多的分辨率。冷冻电子显微镜增加了超低温的元素，使其特别适用于较大蛋白质、膜蛋白或含脂质样品(如膜结合受体)和几种生物分子的复合物的近原子结构分辨率。

在过去的八年中，新的电子探测器使冷冻电子显微镜的分辨率比普通电子显微镜有了巨大的飞跃。这种所谓的冷冻电子显微镜“分辨率革命”的关键要素是：

在液体乙烷中快速冷冻含水样品，冷却至 -256 华氏度以下。水不再是破坏样品和散射电子束的冰晶，而是冻结成窗口状的“玻璃冰”。

样品在显微镜中保持超冷温度，并使用低剂量电子以避免对蛋白质造成损害。

极快的直接电子探测器能够以每秒数百帧的速度对单个原子进行计数，从而可以即时校正样品运动。

高级计算合并了数以千计的图像以生成高分辨率的三维结构。图形处理单元用于处理数 TB 的数据。

放置样品的显微镜载物台也可以在拍摄图像时倾斜，从而构建三维断层扫描图像，类似于医院的 CT 扫描。

UAB 研究人员对 Andhra 病毒粒子结构的分析从 230,714 张粒子图像开始。衣壳、尾部、尾部远端和尾尖的分子重建分别从 186,542、159,489、159,489 和 159,489 张图像开始。分辨率范围从 3.50 到 4.90 埃。

对研究“表皮葡萄球菌噬菌体 Andhra 的结构和宿主特异性”的支持来自国立卫生研究院噬菌体治疗基金 R21 AI156636。