噬菌體T4是分子生物學與病毒結構生物學研究的重要模型，被稱為高度協(xié)調(diào)的“納米機器“。其組裝采用模塊化方式：頭部和尾部分別獨立裝配。頭部先形成并將171 kb的DNA以近晶態(tài)密度壓縮入殼，內(nèi)部壓力可達25–35個大氣壓；隨后再與已裝配完成的尾部精準對接，形成具有感染能力的完整病毒。由于DNA在頭部內(nèi)處于高壓狀態(tài)，DNA包裝終止、包裝馬達解離以及頭尾連接必須緊密銜接，否則會導致基因組泄漏、組裝失敗。盡管T4頭部和尾部結構已被大量研究，但頸部在頭尾連接處如何形成密封結構以抵御高壓并穩(wěn)定保留基因組，仍有待闡明。

2026年2月20日, 復旦大學生物醫(yī)學研究院孫蕾研究員、上海市第五人民醫(yī)院陳振國研究員聯(lián)合美國天主教大學Venigalla B. Rao教授在《自然-通訊》（Nature Communications）上背靠背發(fā)表兩篇論文： Cryo-EM structures of bacteriophage T4 portal-neck assembly intermediates reveal a viral genome retention mechanism和In situ structures of the portal-neck-tail complex of bacteriophage T4 inform a viral genome positioning mechanism。研究首次揭示了噬菌體T4頸部結構的組裝及動態(tài)變化，闡明了其在高壓下封存與定位頭部基因組的機制。

第一項研究通過體外（in vitro）重建頸部組裝中間體gp13/gp14，解析了其高分辨率冷凍電鏡結構，首次發(fā)現(xiàn)病毒在裝配過程中“劫持”宿主蛋白RNA結合蛋白Hfq作為輔助因子。 Hfq與gp14的“阻滯環(huán)”共同構成雙重基因組門控結構，有效封堵已包裝的高壓DNA，防止其在頭尾連接前發(fā)生泄漏。同時，Hfq的瞬態(tài)結合還起到穩(wěn)定頸部結構穩(wěn)定與配質(zhì)量控制作用，避免錯誤組裝的發(fā)生。

為了探究T4頸部的組裝機制，研究團隊首先在體外成功重構了頸部組裝的關鍵中間體，并意外發(fā)現(xiàn)大腸桿菌宿主因子Hfq蛋白與gp14相結合。隨后團隊又將門戶蛋白gp20與頸部蛋白在體外進行組裝，得到門戶-頸部蛋白復合體。利用冷凍電鏡技術，解析出多個關鍵復合物近原子分辨率結構。由頸部通道內(nèi)部結構分析可以看到，六個gp14亞基物理性地阻擋雙鏈DNA通過，構成了主要的基因組封存第一重門控。另外，宿主Hfq蛋白以六聚體的形式，精準地結合在gp14六聚體的底部，像一個“加固栓”一樣堵住了通道的出口形成第二道門。這種由病毒自身蛋白（gp14）和宿主蛋白（Hfq）共同構成的“雙重大門”機制，確保了在尾部接裝前，高壓基因組被牢牢鎖在衣殼內(nèi)（圖1）。

圖1. T4噬菌體頸部雙門控機制

進一步的體外和體內(nèi)實驗表明，Hfq與頸部的結合是瞬態(tài)且非必需的。Hfq能穩(wěn)定gp13/gp14復合物，防止其發(fā)生錯誤組裝（如gp14誤與門戶gp20結合）。在后續(xù)尾部蛋白gp15裝配時，熱力學上更穩(wěn)定的gp14/gp15相互作用會驅(qū)動Hfq從復合物中解離，因此成熟病毒粒子中不含有Hfq。與此同時，gp14第一重門門（stopper loop）打開，將DNA釋放至尾管中。這體現(xiàn)了一種精巧的“借用-歸還”策略，病毒在不增加自身基因組負擔的前提下，利用宿主資源優(yōu)化了裝配的保真性與效率（圖2）。

圖2. T4噬菌體頸部組裝機制

第二項研究則在成熟病毒顆粒中原位（in-situ）解析了門戶-頸部-尾部復合物的高分辨率結構，捕捉到一系列由內(nèi)部壓力驅(qū)動的構象變化：DNA在頭部包裝完成后，門戶蛋白在內(nèi)部壓力作用下發(fā)生全局構象重排，暴露頸部結合界面。當頸部完成對接后，尾部蛋白gp15觸發(fā)Hfq 釋放并開啟gp14門控結構。在壓力驅(qū)動下，DNA向尾部移動約170?，與卷尺蛋白結合并壓縮于尾管中，形成一種“彈簧加載”式的預感染狀態(tài)。

兩項研究相輔相成，前者捕獲了頸部組裝中間體的封閉狀態(tài)，闡明其高壓封存基因組的分子機制。后者揭示該復合物在成熟病毒粒子中的開放狀態(tài)及DNA定位方式。兩項研究共同描繪出從頭頸部組裝中間態(tài)到尾部組裝后頸部的結構重塑的動態(tài)過程，深化了我們對T4噬菌體精密組裝機制的理解。

復旦大學生物醫(yī)學研究院博士生漢琳、毛綺妤，美國天主教大學朱金根為該論文的共同第一作者，復旦大學生物醫(yī)學研究院孫蕾研究員，上海市第五人民醫(yī)院陳振國研究員和美國天主教大學Venigalla B. Rao教授為本文的共同通訊作者。

原文鏈接1：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69107-7

原文鏈接2：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69106-8