文章导读
面对日益严峻的抗生素耐药危机，如何让噬菌体在细菌竞争中保持优势一直是难题。清华王佳伟团队在《细胞报告》揭示，λ噬菌体的外膜蛋白Lom能够占据宿主受体LamB，形成空间阻挡，从而实现超感染排斥，这一胞外防御机制既不损伤宿主代谢，也在裂解期和溶原期双重调控子代病毒的吸附。该发现为噬菌体工程提供了全新靶点，是否能打开精准抗菌的新篇章？
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随着抗生素耐药问题日益严峻，噬菌体凭借高度特异的宿主识别特性，成为精准抗菌策略的重要研发载体。噬菌体在细菌群落中存在激烈的生存竞争，目前学界已大量报道细菌编码的胞内抗噬菌体防御系统，但噬菌体自身在宿主细胞膜表面保护子代病毒的竞争机制仍缺少系统解析。传统基因筛选手段更易富集胞内、溶原期表达的抗性因子，往往会忽略侵染过程中结合宿主膜受体的噬菌体膜蛋白，相关表面防御通路长期存在研究空白。
清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心王佳伟副教授课题组长期聚焦噬菌体、细菌素等新型抗菌元件的结构生物学机制，围绕λ噬菌体的衣壳、尾部、受体识别系统开展了系统性研究，前期已完整解析λ噬菌体识别宿主受体的分子基础，为挖掘噬菌体胞外竞争因子奠定了扎实的研究基础。
7月16日，王佳伟课题组在《细胞报告》（Cell Reports）发表题为“受体靶向研究发现λ噬菌体Lom为LamB结合型超感染排斥因子”（A receptor-centered approach identifies Lom as a LamB-bound superinfection exclusion factor in bacteriophage λ）的研究论文。该研究建立一套以受体为核心的捕获鉴定体系，直接捕捉侵染过程中与宿主天然外膜受体LamB互作的噬菌体蛋白，借助冷冻电镜结构解析、生化互作检测与体内侵染功能实验，鉴定得到λ噬菌体编码的外膜蛋白Lom，并完整阐明Lom通过受体占位介导超感染排斥的全新作用机理。
λ噬菌体作为模式系统已被研究了近一个世纪，其基因组中绝大多数基因的功能已被逐一解析，Lom虽早被注释为外膜粘附蛋白，但长久以来其与宿主受体的互作关系、在噬菌体生存竞争中的核心生理功能始终未被发现。本研究开发的受体导向全新筛选策略跳出传统正向遗传筛选的局限，直击侵染过程中瞬时发生的膜受体互作事件，成功挖掘出百年经典λ噬菌体基因组中未被揭示的关键功能蛋白，为挖掘模式微生物中被长期忽略的隐性功能基因提供了颠覆性研究范式。不同于以往仅聚焦胞内免疫通路的研究思路，本工作首次在λ噬菌体中鉴定出受体层面的胞外超感染排斥机制，完善了噬菌体分层防御理论，同时跨噬菌体同源蛋白分析证明该机制具有广泛保守性，极大拓展了胞外抗噬菌体元件的研究边界，为噬菌体工程、新型抗菌生物技术开发提供全新靶点与理论支撑。
研究团队构建携带Strep标签LamB的大肠杆菌菌株，高MOI侵染λ噬菌体后，经膜溶解、亲和纯化与分子筛层析获得均一LamB蛋白复合物。SDS-PAGE、质谱与冷冻电镜三维重构结果共同证实，复合物中稳定存在分子量约20-25kDa的噬菌体蛋白Lom，Lom与LamB三聚体形成2:3结合比例的稳定复合物。Lom单体由八股反向平行β桶构成膜锚定骨架，两段胞外延伸β发夹折叠形成突出的盖子结构域，是发挥阻断侵染功能的核心元件。
图1.Lom-LamB结构
将Lom-LamB复合物结构与λ噬菌体受体结合蛋白gpJ-LamB复合物进行结构叠加比对，结果显示Lom胞外盖子结构域（140-150位氨基酸）与gpJ识别LamB的结合口袋完全重叠，二者存在直接空间位阻。团队构建盖子截短突变体LomΔ140-150开展功能验证，突变体仍可正常结合LamB，但彻底丧失抵御噬菌体侵染的活性；负染电镜成像清晰可见，表达突变Lom的细胞表面大量吸附λ噬菌体颗粒，直接证实盖子结构是实现受体占位、抑制噬菌体吸附的必需结构单元。
图2.Lom阻碍噬菌体结合
Lom依靠膜嵌入β桶锚定于单个LamB单体，β3-β6片层桥接相邻LamB亚基，通过多个氨基酸位点形成分布式氢键网络稳定复合物界面，其中Y204残基尤为关键。
图3.Lom与LamB结合界面的分析
核糖体图谱分析显示lom基因具备双阶段时序表达特征，裂解早期维持低水平翻译，侵染20分钟后的裂解晚期表达量显著上调，与子代噬菌体组装释放高峰期同步；同时该基因在溶原状态下持续本底表达。这种独特的时序调控赋予Lom双重生理功能，裂解期封闭宿主LamB受体，避免新生子代病毒发生无效吸附；溶原菌依靠Lom持续占据膜受体，抵御同源噬菌体超感染。
区别于经典胞内抗噬菌体系统，Lom作用于噬菌体侵染最早期的膜吸附阶段，不会破坏宿主细胞代谢、不降解病毒核酸，仅依靠物理空间占位阻断受体识别，是低宿主毒性的全新胞外防御通路。Foldseek结构检索结果显示，大量不同来源、温和噬菌体中存在结构同源的Lom样膜蛋白，即便序列相似度极低，均保留β桶骨架与胞外封闭盖子核心结构，说明噬菌体膜蛋白占位宿主受体是广泛保守的生存竞争策略。
本研究建立的受体导向蛋白捕获策略，弥补了传统遗传筛选的短板，可直接捕捉侵染瞬时发生的病毒-宿主受体互作蛋白，为系统挖掘噬菌体、细菌素膜表面互作因子、开发新型抗病毒模块提供标准化技术框架，对噬菌体工程改造、可编程抗菌生物技术发展具有重要指导意义。
清华大学生命学院2024届博士毕业生葛霄飞（现任澳门城市大学大健康学院助理教授）为论文共同第一作者和共同通讯作者；清华大学生命学院王佳伟副教授为本文通讯作者，2022级博士生顾志炜参与了本课题工作。本研究冷冻电镜数据采集依托国家蛋白质科学研究（北京）清华大学分中心冷冻电镜平台与生物计算集群，研究工作获得澳门科学技术发展基金、国家自然科学基金、北京市自然科学基金共同资助。
原文链接：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(26)00769-2
供稿：生命学院
编辑：刘芳芳
审核：周襄楠
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受体占位这个思路太巧妙了，直接物理阻断吸附。