Cell?Rep丨λ噬菌體Lom蛋白介導受體占位型超感染排斥新機制

當多個噬菌體同時競爭同一細菌宿主時，已經完成感染的噬菌體如何避免后來者再次利用有限的宿主資源？這一問題不僅關系到噬菌體在自然環境中的生存競爭，也是理解噬菌體感染策略的重要科學問題。

作為分子生物學最經典的模式病毒之一，λ噬菌體已被研究近一個世紀，其生命周期、基因調控以及宿主識別機制深刻影響了現代分子生物學的發展。然而，即便在這一研究最為深入的模式系統中，仍有少數保守基因長期功能未明。其中，編碼外膜蛋白的Lom（Lambda outer membrane protein）自上世紀被發現以來，一直被認為可能參與細菌黏附，卻始終缺乏直接的生化實驗依據，其真實生理功能成為困擾研究人員數十年的經典問題。

近年來，清華大學生命科學學院王佳偉課題組與澳門城市大學大健康學院葛霄飛課題組持續圍繞λ噬菌體感染過程開展系統性的結構生物學研究。團隊系列研究逐步構建了從病毒裝配、DNA包裝、宿主識別到感染激活的結構生物學框架，也為進一步探索感染完成后的噬菌體競爭機制奠定了基礎。在此基礎上，研究團隊進一步將研究拓展至感染完成后的噬菌體競爭過程，希望回答一個長期懸而未決的問題：λ噬菌體是否能夠主動封閉宿主受體，從而阻止后續噬菌體再次感染？

近日，清華大學生命科學學院王佳偉課題組和澳門城市大學大健康學院葛霄飛課題組在Cell Reports發表題為A receptor-centered approach identifies Lom as a LamB-bound superinfection exclusion factor in bacteriophage λ的研究論文。研究團隊開發了一種以宿主受體為核心（receptor-centered）的蛋白捕獲策略，在天然感染過程中直接富集與宿主外膜受體LamB結合的噬菌體蛋白，并結合冷凍電鏡結構解析、生化實驗和感染功能驗證，首次發現長期功能未知的λ噬菌體外膜蛋白Lom是一種受體占位型超感染排斥（superinfection exclusion，SIE）因子，揭示了其通過占據宿主受體LamB阻斷后續噬菌體吸附的分子機制。

長期以來，尋找噬菌體膜蛋白一直面臨技術挑戰。傳統遺傳篩選通常依賴突變體表型分析，更容易發現作用于胞內的抗性因子，而那些僅在感染過程中短暫結合宿主膜受體的蛋白則極易被遺漏。為突破這一瓶頸，研究團隊提出了全新的受體導向（receptor-centered）研究策略：以天然宿主受體LamB作為”誘餌”，直接從感染細胞膜中捕獲與其形成復合物的噬菌體蛋白，從而繞過傳統遺傳篩選的局限，直接解析感染過程中真實發生的病毒—宿主受體互作事件。利用這一策略，研究團隊構建了攜帶Strep標簽LamB的大腸桿菌菌株，在高感染復數（MOI）條件下感染λ噬菌體，并通過膜蛋白純化、親和層析和分子篩層析獲得穩定的LamB復合物。SDS-PAGE、質譜分析及冷凍電鏡三維重構共同證實，該復合物中穩定存在一種分子量約20–25 kDa的噬菌體蛋白——Lom。進一步的高分辨率冷凍電鏡結構顯示，兩分子Lom穩定結合于LamB三聚體外側，形成2:3的穩定復合物。結構分析表明，Lom由典型的八股反向平行β桶構成膜錨定骨架，并向胞外延伸形成兩段β發夾，共同組成一個突出的“蓋子（lid）”結構域。研究人員據此推測，這一特殊的胞外結構很可能并非簡單參與膜定位，而是直接承擔阻斷噬菌體感染的重要功能。

圖1. Lom-LamB結構

為了驗證這一推測，研究團隊將Lom–LamB復合物與此前解析的λ噬菌體尾纖維蛋白gpJ–LamB復合物結構（Nature Communications, 2024；PDB-101: Molecule of the Month: Therapeutic Phage）進行疊加分析。結果發現，Lom胞外”蓋子”結構幾乎完全覆蓋了gpJ識別LamB所需的結合位點，兩者形成直接的空間競爭。這意味著，一旦Lom占據LamB受體，新的λ噬菌體便無法再與宿主結合，從而在感染最早階段阻斷超感染的發生。為了進一步驗證這一機制，研究團隊構建了缺失胞外蓋子結構的LomΔ140–150突變體。冷凍電鏡和生化實驗表明，該突變體仍能夠穩定結合LamB，卻已完全失去阻止噬菌體感染的能力。與此同時，負染電鏡清晰觀察到，大量λ噬菌體重新吸附于表達突變體Lom的細胞表面，而表達野生型Lom的細胞幾乎不再發生噬菌體吸附。這些結果直接證明，Lom并不是通過改變LamB構象發揮作用，而是依賴胞外β發夾形成的”蓋子”對受體結合位點進行物理遮擋，從而實現典型的受體占位（receptor occlusion）機制。

進一步分析Lom與LamB的結合界面發現，Lom并非簡單錨定于細菌外膜，而是與LamB形成了高度穩定的相互作用網絡。Lom的β桶結構嵌入外膜并結合一個LamB亞基，同時其β3–β6片層跨越相鄰兩個LamB亞基，在LamB三聚體表面形成廣泛的結合界面。多個保守氨基酸共同構成分布式氫鍵和疏水相互作用，其中Y204等關鍵殘基對于復合物穩定性尤為重要。點突變實驗進一步證實，破壞這些關鍵相互作用后，Lom與LamB的結合能力顯著下降，超感染排斥功能也隨之減弱，說明只有穩定占據宿主受體，Lom才能持續發揮保護作用。

靜態結構揭示了Lom如何占據宿主受體，那么它又是在噬菌體生命周期的哪個階段發揮作用？為回答這一問題，研究團隊進一步分析了λ噬菌體感染過程中的核糖體圖譜（Ribo-seq）數據。結果顯示，lom基因具有明顯的時序表達特征。在裂解感染早期，其翻譯水平始終維持在較低水平；而隨著感染進入后期，約20分鐘后lom表達迅速升高，與子代噬菌體組裝和釋放的高峰高度一致。與此同時，在溶原狀態下，lom也保持持續的基礎表達。

這種獨特的表達模式揭示了Lom在不同生命周期中的雙重作用。在裂解感染階段，大量表達的Lom能夠迅速插入宿主外膜，占據LamB受體，避免新產生的子代噬菌體再次吸附已經感染的細胞，提高有限宿主資源的利用效率；而在溶原狀態下，持續表達的Lom則能夠長期封閉宿主表面的LamB受體，阻止同源λ噬菌體再次感染，實現經典意義上的超感染排斥（superinfection exclusion）。這一機制說明，Lom不僅參與裂解感染過程中的資源保護，也有助于維持溶原菌對同源噬菌體的持續抵抗。

值得注意的是，目前已報道的大多數超感染排斥系統主要作用于DNA注入、基因組復制或病毒裝配等胞內階段，而Lom則直接作用于噬菌體侵染的第一步——宿主受體識別。它既不依賴宿主免疫系統，也不會影響宿主正常代謝，而是通過簡單而高效的空間占位阻斷噬菌體吸附。這一發現表明，噬菌體之間的競爭并非始于病毒進入細胞之后，而是在宿主細胞表面的受體結合階段便已經開始，揭示了一類此前未被充分認識的胞外超感染排斥機制。

為了進一步評估這一機制是否具有普遍性，研究團隊利用Foldseek開展結構同源性分析。結果發現，在大量來源不同的溫和噬菌體中，均存在與Lom具有相似三維結構的膜蛋白。盡管這些蛋白之間的氨基酸序列相似性極低，但均保留了典型的八股β桶骨架以及向胞外延伸的β發夾”蓋子”結構。這說明，利用膜蛋白直接占據宿主受體、阻止后續噬菌體感染，很可能并非λ噬菌體所特有，而是一類廣泛存在卻長期被忽視的噬菌體競爭策略。

除了揭示Lom的生物學功能，本研究還建立了一套以宿主受體為核心的蛋白捕獲策略。傳統遺傳篩選主要依賴突變體表型分析，更容易發現作用于胞內的抗性因子，而感染過程中短暫形成的膜表面受體復合物則難以捕獲。研究團隊提出的受體導向策略能夠直接富集感染過程中形成的病毒—宿主受體復合物，為解析噬菌體、細菌素等蛋白與宿主膜受體之間的動態相互作用提供了新的技術路線，也為發現經典模式微生物中長期未被認識的功能蛋白提供了新的研究思路。

本研究不僅破解了Lom這一經典未注釋蛋白數十年來懸而未決的生物學功能，更首次從結構和功能層面揭示了受體占位介導的胞外超感染排斥機制，進一步拓展了人們對噬菌體感染策略和生存競爭方式的認識。隨著越來越多噬菌體膜蛋白及其宿主受體相互作用被發現，這類作用于宿主細胞表面的競爭機制有望成為噬菌體生物學和精準抗菌研究的新方向，并為噬菌體工程改造及新型抗菌技術的發展提供新的理論基礎。

澳門城市大學大健康學院助理教授葛霄飛為論文第一作者、共同通訊作者；清華大學生命科學學院2022級博士生顧志煒參與完成了本研究；清華大學生命科學學院王佳偉副教授為論文通訊作者。本研究冷凍電鏡數據采集依托國家蛋白質科學研究（北京）清華大學分中心冷凍電鏡平臺和生物計算集群完成。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124726007692

制版人：十一

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