噬菌体T4是分子生物学与病毒结构生物学研究的重要模型，被称为高度协调的“纳米机器“。其组装采用模块化方式：头部和尾部分别独立装配。头部先形成并将171 kb的DNA以近晶态密度压缩入壳，内部压力可达25–35个大气压；随后再与已装配完成的尾部精准对接，形成具有感染能力的完整病毒。由于DNA在头部内处于高压状态，DNA包装终止、包装马达解离以及头尾连接必须紧密衔接，否则会导致基因组泄漏、组装失败。尽管T4头部和尾部结构已被大量研究，但颈部在头尾连接处如何形成密封结构以抵御高压并稳定保留基因组，仍有待阐明。
2026年2月20日, 复旦大学生物医学研究院孙蕾研究员、上海市第五人民医院陈振国研究员联合美国天主教大学Venigalla B. Rao教授在《自然-通讯》（Nature Communications）上背靠背发表两篇论文： 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体T4颈部结构的组装及动态变化，阐明了其在高压下封存与定位头部基因组的机制。
第一项研究通过体外（in vitro）重建颈部组装中间体gp13/gp14，解析了其高分辨率冷冻电镜结构，首次发现病毒在装配过程中“劫持”宿主蛋白RNA结合蛋白Hfq作为辅助因子。 Hfq与gp14的“阻滞环”共同构成双重基因组门控结构，有效封堵已包装的高压DNA，防止其在头尾连接前发生泄漏。同时，Hfq的瞬态结合还起到稳定颈部结构稳定与配质量控制作用，避免错误组装的发生。
为了探究T4颈部的组装机制，研究团队首先在体外成功重构了颈部组装的关键中间体，并意外发现大肠杆菌宿主因子Hfq蛋白与gp14相结合。随后团队又将门户蛋白gp20与颈部蛋白在体外进行组装，得到门户-颈部蛋白复合体。利用冷冻电镜技术，解析出多个关键复合物近原子分辨率结构。由颈部通道内部结构分析可以看到，六个gp14亚基物理性地阻挡双链DNA通过，构成了主要的基因组封存第一重门控。另外，宿主Hfq蛋白以六聚体的形式，精准地结合在gp14六聚体的底部，像一个“加固栓”一样堵住了通道的出口形成第二道门。这种由病毒自身蛋白（gp14）和宿主蛋白（Hfq）共同构成的“双重大门”机制，确保了在尾部接装前，高压基因组被牢牢锁在衣壳内（图1）。
图1. T4噬菌体颈部双门控机制
进一步的体外和体内实验表明，Hfq与颈部的结合是瞬态且非必需的。Hfq能稳定gp13/gp14复合物，防止其发生错误组装（如gp14误与门户gp20结合）。在后续尾部蛋白gp15装配时，热力学上更稳定的gp14/gp15相互作用会驱动Hfq从复合物中解离，因此成熟病毒粒子中不含有Hfq。与此同时，gp14第一重门门（stopper loop）打开，将DNA释放至尾管中。这体现了一种精巧的“借用-归还”策略，病毒在不增加自身基因组负担的前提下，利用宿主资源优化了装配的保真性与效率（图2）。
图2. T4噬菌体颈部组装机制
第二项研究则在成熟病毒颗粒中原位（in-situ）解析了门户-颈部-尾部复合物的高分辨率结构，捕捉到一系列由内部压力驱动的构象变化：DNA在头部包装完成后，门户蛋白在内部压力作用下发生全局构象重排，暴露颈部结合界面。当颈部完成对接后，尾部蛋白gp15触发Hfq 释放并开启gp14门控结构。在压力驱动下，DNA向尾部移动约170Å，与卷尺蛋白结合并压缩于尾管中，形成一种“弹簧加载”式的预感染状态。
两项研究相辅相成，前者捕获了颈部组装中间体的封闭状态，阐明其高压封存基因组的分子机制。后者揭示该复合物在成熟病毒粒子中的开放状态及DNA定位方式。两项研究共同描绘出从头颈部组装中间态到尾部组装后颈部的结构重塑的动态过程，深化了我们对T4噬菌体精密组装机制的理解。
复旦大学生物医学研究院博士生汉琳、毛绮妤，美国天主教大学朱金根为该论文的共同第一作者，复旦大学生物医学研究院孙蕾研究员，上海市第五人民医院陈振国研究员和美国天主教大学Venigalla B. Rao教授为本文的共同通讯作者。
原文链接1：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69107-7
原文链接2：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69106-8
