Cell Rep丨λ噬菌体Lom蛋白介导受体占位型超感染排斥新机制|受体|噬菌体|复合物|宿主|细胞|蛋白

当多个噬菌体同时竞争同一细菌宿主时，已经完成感染的噬菌体如何避免后来者再次利用有限的宿主资源？这一问题不仅关系到噬菌体在自然环境中的生存竞争，也是理解噬菌体感染策略的重要科学问题。

作为分子生物学最经典的模式病毒之一，λ噬菌体已被研究近一个世纪，其生命周期、基因调控以及宿主识别机制深刻影响了现代分子生物学的发展。然而，即便在这一研究最为深入的模式系统中，仍有少数保守基因长期功能未明。其中，编码外膜蛋白的Lom（Lambda outer membrane protein）自上世纪被发现以来，一直被认为可能参与细菌黏附，却始终缺乏直接的生化实验依据，其真实生理功能成为困扰研究人员数十年的经典问题。

近年来，清华大学生命科学学院王佳伟课题组与澳门城市大学大健康学院葛霄飞课题组持续围绕λ噬菌体感染过程开展系统性的结构生物学研究。团队系列研究逐步构建了从病毒装配、DNA包装、宿主识别到感染激活的结构生物学框架，也为进一步探索感染完成后的噬菌体竞争机制奠定了基础。在此基础上，研究团队进一步将研究拓展至感染完成后的噬菌体竞争过程，希望回答一个长期悬而未决的问题：λ噬菌体是否能够主动封闭宿主受体，从而阻止后续噬菌体再次感染？

近日，清华大学生命科学学院王佳伟课题组和澳门城市大学大健康学院葛霄飞课题组在Cell Reports发表题为A receptor-centered approach identifies Lom as a LamB-bound superinfection exclusion factor in bacteriophage λ的研究论文。研究团队开发了一种以宿主受体为核心（receptor-centered）的蛋白捕获策略，在天然感染过程中直接富集与宿主外膜受体LamB结合的噬菌体蛋白，并结合冷冻电镜结构解析、生化实验和感染功能验证，首次发现长期功能未知的λ噬菌体外膜蛋白Lom是一种受体占位型超感染排斥（superinfection exclusion，SIE）因子，揭示了其通过占据宿主受体LamB阻断后续噬菌体吸附的分子机制。

长期以来，寻找噬菌体膜蛋白一直面临技术挑战。传统遗传筛选通常依赖突变体表型分析，更容易发现作用于胞内的抗性因子，而那些仅在感染过程中短暂结合宿主膜受体的蛋白则极易被遗漏。为突破这一瓶颈，研究团队提出了全新的受体导向（receptor-centered）研究策略：以天然宿主受体LamB作为”诱饵”，直接从感染细胞膜中捕获与其形成复合物的噬菌体蛋白，从而绕过传统遗传筛选的局限，直接解析感染过程中真实发生的病毒—宿主受体互作事件。利用这一策略，研究团队构建了携带Strep标签LamB的大肠杆菌菌株，在高感染复数（MOI）条件下感染λ噬菌体，并通过膜蛋白纯化、亲和层析和分子筛层析获得稳定的LamB复合物。SDS-PAGE、质谱分析及冷冻电镜三维重构共同证实，该复合物中稳定存在一种分子量约20–25 kDa的噬菌体蛋白——Lom。进一步的高分辨率冷冻电镜结构显示，两分子Lom稳定结合于LamB三聚体外侧，形成2:3的稳定复合物。结构分析表明，Lom由典型的八股反向平行β桶构成膜锚定骨架，并向胞外延伸形成两段β发夹，共同组成一个突出的“盖子（lid）”结构域。研究人员据此推测，这一特殊的胞外结构很可能并非简单参与膜定位，而是直接承担阻断噬菌体感染的重要功能。

图1. Lom-LamB结构

为了验证这一推测，研究团队将Lom–LamB复合物与此前解析的λ噬菌体尾纤维蛋白gpJ–LamB复合物结构（Nature Communications, 2024；PDB-101: Molecule of the Month: Therapeutic Phage）进行叠加分析。结果发现，Lom胞外”盖子”结构几乎完全覆盖了gpJ识别LamB所需的结合位点，两者形成直接的空间竞争。这意味着，一旦Lom占据LamB受体，新的λ噬菌体便无法再与宿主结合，从而在感染最早阶段阻断超感染的发生。为了进一步验证这一机制，研究团队构建了缺失胞外盖子结构的LomΔ140–150突变体。冷冻电镜和生化实验表明，该突变体仍能够稳定结合LamB，却已完全失去阻止噬菌体感染的能力。与此同时，负染电镜清晰观察到，大量λ噬菌体重新吸附于表达突变体Lom的细胞表面，而表达野生型Lom的细胞几乎不再发生噬菌体吸附。这些结果直接证明，Lom并不是通过改变LamB构象发挥作用，而是依赖胞外β发夹形成的”盖子”对受体结合位点进行物理遮挡，从而实现典型的受体占位（receptor occlusion）机制。

进一步分析Lom与LamB的结合界面发现，Lom并非简单锚定于细菌外膜，而是与LamB形成了高度稳定的相互作用网络。Lom的β桶结构嵌入外膜并结合一个LamB亚基，同时其β3–β6片层跨越相邻两个LamB亚基，在LamB三聚体表面形成广泛的结合界面。多个保守氨基酸共同构成分布式氢键和疏水相互作用，其中Y204等关键残基对于复合物稳定性尤为重要。点突变实验进一步证实，破坏这些关键相互作用后，Lom与LamB的结合能力显著下降，超感染排斥功能也随之减弱，说明只有稳定占据宿主受体，Lom才能持续发挥保护作用。

静态结构揭示了Lom如何占据宿主受体，那么它又是在噬菌体生命周期的哪个阶段发挥作用？为回答这一问题，研究团队进一步分析了λ噬菌体感染过程中的核糖体图谱（Ribo-seq）数据。结果显示，lom基因具有明显的时序表达特征。在裂解感染早期，其翻译水平始终维持在较低水平；而随着感染进入后期，约20分钟后lom表达迅速升高，与子代噬菌体组装和释放的高峰高度一致。与此同时，在溶原状态下，lom也保持持续的基础表达。

这种独特的表达模式揭示了Lom在不同生命周期中的双重作用。在裂解感染阶段，大量表达的Lom能够迅速插入宿主外膜，占据LamB受体，避免新产生的子代噬菌体再次吸附已经感染的细胞，提高有限宿主资源的利用效率；而在溶原状态下，持续表达的Lom则能够长期封闭宿主表面的LamB受体，阻止同源λ噬菌体再次感染，实现经典意义上的超感染排斥（superinfection exclusion）。这一机制说明，Lom不仅参与裂解感染过程中的资源保护，也有助于维持溶原菌对同源噬菌体的持续抵抗。

值得注意的是，目前已报道的大多数超感染排斥系统主要作用于DNA注入、基因组复制或病毒装配等胞内阶段，而Lom则直接作用于噬菌体侵染的第一步——宿主受体识别。它既不依赖宿主免疫系统，也不会影响宿主正常代谢，而是通过简单而高效的空间占位阻断噬菌体吸附。这一发现表明，噬菌体之间的竞争并非始于病毒进入细胞之后，而是在宿主细胞表面的受体结合阶段便已经开始，揭示了一类此前未被充分认识的胞外超感染排斥机制。

为了进一步评估这一机制是否具有普遍性，研究团队利用Foldseek开展结构同源性分析。结果发现，在大量来源不同的温和噬菌体中，均存在与Lom具有相似三维结构的膜蛋白。尽管这些蛋白之间的氨基酸序列相似性极低，但均保留了典型的八股β桶骨架以及向胞外延伸的β发夹”盖子”结构。这说明，利用膜蛋白直接占据宿主受体、阻止后续噬菌体感染，很可能并非λ噬菌体所特有，而是一类广泛存在却长期被忽视的噬菌体竞争策略。

除了揭示Lom的生物学功能，本研究还建立了一套以宿主受体为核心的蛋白捕获策略。传统遗传筛选主要依赖突变体表型分析，更容易发现作用于胞内的抗性因子，而感染过程中短暂形成的膜表面受体复合物则难以捕获。研究团队提出的受体导向策略能够直接富集感染过程中形成的病毒—宿主受体复合物，为解析噬菌体、细菌素等蛋白与宿主膜受体之间的动态相互作用提供了新的技术路线，也为发现经典模式微生物中长期未被认识的功能蛋白提供了新的研究思路。

本研究不仅破解了Lom这一经典未注释蛋白数十年来悬而未决的生物学功能，更首次从结构和功能层面揭示了受体占位介导的胞外超感染排斥机制，进一步拓展了人们对噬菌体感染策略和生存竞争方式的认识。随着越来越多噬菌体膜蛋白及其宿主受体相互作用被发现，这类作用于宿主细胞表面的竞争机制有望成为噬菌体生物学和精准抗菌研究的新方向，并为噬菌体工程改造及新型抗菌技术的发展提供新的理论基础。

澳门城市大学大健康学院助理教授葛霄飞为论文第一作者、共同通讯作者；清华大学生命科学学院2022级博士生顾志炜参与完成了本研究；清华大学生命科学学院王佳伟副教授为论文通讯作者。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和生物计算集群完成。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124726007692

制版人：十一

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