? ? ? ? 今天介紹的病毒是φX174(PhiX174 )噬菌體/辛希默病毒(Phix174microvirus，Sinsheimervirus)，它是非常獨特的病毒——微小噬菌體(Microvirus)的典型代表。它以大腸桿菌為宿主，因此，這種病毒在大腸桿菌培養(yǎng)基污染物中很常見。

簡介

? ? ? ? ?φX174(PhiX174)噬菌體是一種感染大腸桿菌的單鏈DNA病毒，是第一個被測序的基于DNA的基因組。這項工作由弗雷德·桑格和他的團隊在1977年完成。1962年，Walter Fiers和Robert Sinsheimer已經(jīng)證明了ΦX174 DNA是共價閉合環(huán)狀單鏈DNA。諾貝爾獎獲得者阿瑟·科恩伯格以ΦX174為模型，首次證明了用純化酶在試管中合成的DNA可以產(chǎn)生天然病毒的所有特征，從而開創(chuàng)了合成生物學(xué)時代。1972-1974年，Jerard Hurwitz、Sue Wickner和Reed Wickner及其合作者確定了產(chǎn)生酶所需的基因，這些酶催化病毒從單鏈形式轉(zhuǎn)化為雙鏈復(fù)制形式。2003年，克雷格·文特爾(Craig Venter)的團隊報道稱，ΦX174的基因組是第一個在體外完全組裝合成的寡核苷酸。ΦX174病毒顆粒也在體外成功組裝。2012年，研究人員展示了它高度重疊的基因組是如何被完全解壓并保持功能的。

病毒基因組

? ? ? ? φX174噬菌體具有一個具有正義的環(huán)狀單鏈DNA基因組，共有5386個核苷酸基因組，GC含量為44%，95%的核苷酸屬于編碼基因。由于基因組的平衡堿基模式，它被用作Illumina測序儀的對照DNA。

基因

? ? ? ? ΦX174編碼11個基因，按照它們被發(fā)現(xiàn)的順序命名為字母表中連續(xù)的字母，除了A*，它是大A基因中的一個替代開始密碼子。只有基因A*和K被認為是非必需的，雖然對A*有一些懷疑，因為它的起始密碼子可以改變?yōu)锳TT，而不能改變其他任何序列現(xiàn)在我們知道ATT仍然有可能在大腸桿菌中產(chǎn)生蛋白，因此這個基因?qū)嶋H上可能是必不可少的。

? ? ? ? ΦX174基因組的前一半和11個基因中8個至少有一個核苷酸重疊盡管去除所有基因重疊的重組噬菌體降低了野生型噬菌體的適應(yīng)度，但這些重疊已被證明是非必需的。

? ? ? ? ?ΦX174已經(jīng)被用來試圖通過“合成證明”的方法來建立未被發(fā)現(xiàn)的遺傳信息的缺失。

轉(zhuǎn)錄組

? ? ? ? 2020年，ΦX174的轉(zhuǎn)錄組生成ΦX174轉(zhuǎn)錄組的顯著特征是由4個相對較弱的啟動子串聯(lián)而成，其中4個不依賴ρ因子終止子，1個依賴ρ因子終止子。

蛋白質(zhì)

A——剪切RF DNA，啟動滾環(huán)復(fù)制；連接線狀噬菌體DNA末端形成單鏈環(huán)狀DNA。

A*——抑制宿主細胞DNA復(fù)制；不是必不可少的。

B——參與前殼蛋白組裝的內(nèi)部腳手架蛋白。

C——DNA包裝。

D——參與前殼蛋白組裝的外部腳手架蛋白。

E——宿主細胞裂解。

F——主要衣殼蛋白。

G——主要刺突蛋白。

H——DNA先導(dǎo)蛋白(或小刺突蛋白)。

J——結(jié)合到新的單鏈?zhǔn)删wDNA；伴隨噬菌體DNA進入原殼蛋白。

K——優(yōu)化突發(fā)尺寸；不是必不可少的。

蛋白質(zhì)組

? ? ? ? 最近已經(jīng)報道了使用質(zhì)譜鑒定所有ΦX174蛋白。

生活史

? ? ? ? ?感染開始于G蛋白結(jié)合到細菌宿主細胞表面的脂多糖。H蛋白(DNA先導(dǎo)蛋白)很可能通過預(yù)測的n端跨膜結(jié)構(gòu)域螺旋引導(dǎo)病毒基因組穿過大腸桿菌的細菌膜。然而，H蛋白顯然是一種多功能蛋白。這是φX174病毒衣殼蛋白中唯一缺乏晶體結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，這是因為，H蛋白芳香族氨基酸[酪氨酸(Tyrosine)、苯丙氨酸(Phenylalanine)和色氨酸(Tryptophan)]含量低，甘氨酸(Glycine)含量高，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)非常靈活。此外，H蛋白在高濃度下誘導(dǎo)細菌宿主的裂解，因為預(yù)測的n端跨膜螺旋很容易刺穿細菌壁。通過生物信息學(xué)，該蛋白包含四個預(yù)測的卷曲-卷曲結(jié)構(gòu)域，與已知轉(zhuǎn)錄因子有顯著的同源性。此外，還確定了新生H蛋白是合成其他病毒蛋白的最佳途徑。當(dāng)提供過量的蛋白質(zhì)B(內(nèi)部支架蛋白)時，新生H蛋白可以阻止病毒的摻入，從而被阻止。

? ? ? ?DNA通過病毒的親水通道噴射出來。據(jù)了解，H蛋白存在于該區(qū)域，但實驗證據(jù)尚未證實其確切位置。一旦進入宿主細菌，正義DNA基因組的復(fù)制通過反義DNA中間體進行。這是通過噬菌體基因組超螺旋完成的，這種超螺旋形成的二級結(jié)構(gòu)吸引了一個蛋白復(fù)合體。這一過程在基因組周圍發(fā)生一次易位，并從正義的原始基因組合成一個反義DNA。正義DNA(病毒的單鏈DNA基因組)是通過滾環(huán)機制由此產(chǎn)生的。這就是雙鏈超螺旋基因組被病毒編碼的A蛋白在正義DNA上切割的機制，也吸引細菌DNA聚合酶(DNAP)到裂解位點。DNAP利用反義DNA作為模板來生成正意義的DNA。當(dāng)它在基因組周圍移位時，它取代了已經(jīng)合成的DNA的外鏈，后者立即被SSBP蛋白包裹。每當(dāng)A蛋白識別出起始序列時，它就會切割整個基因組。

? ? ? ?D蛋白是最豐富的基因轉(zhuǎn)錄本，是病毒原殼蛋白中最多的蛋白。同樣，F(xiàn)，J和G的基因轉(zhuǎn)錄本也比H豐富，因為這些結(jié)構(gòu)蛋白的化學(xué)計量比為5:5:5:1。啟動子是一種蛋白質(zhì)復(fù)合體，可以在模板上吸附/結(jié)合解旋酶。啟動子為DNA合成鏈提供RNA引物。

應(yīng)用

進化實驗

? ? ? φX174在許多進化實驗中被用作模式生物。

生物技術(shù)

? ? ? ?φX174經(jīng)常被用作DNA測序的陽性對照，因為與其他生物相比，其相對較小的基因組大小，其相對平衡的核苷酸含量-約23% G, 22% C, 24% a和31% T，即45% G+C和55% A+T，其核苷酸序列為5386個堿基。Illumina的測序儀器使用φX174作為陽性對照，單次測序可以覆蓋φX174基因組數(shù)百萬次，這很可能是歷史上最嚴重的基因組測序。

? ? ? ?φX174還用于測試個人防護裝備對血液傳播病毒的抵抗力。

? ? ? ? φX174也經(jīng)過修改，使病毒衣殼G蛋白的肽顯示(噬菌體顯示)成為可能。

合成生物學(xué)

? ? ? ? φX174基因組是第一個在酵母中克隆的噬菌體，這為基因組修改提供了一個方便的跳板。φX174也是第一個被完全解壓的基因組，刪除了所有的基因重疊部分。這些變化的影響導(dǎo)致宿主附著明顯減少，蛋白表達失調(diào)和熱敏感性。

微小噬菌體的其他成員

? ? ? ? 除φX174噬菌體/辛希默病毒(Phix174microvirus，Sinsheimervirus)外，微小噬菌體還包括衣原體噬菌體(Chlamydiamicrovirus)、蛭弧菌噬菌體(Bdellomicrovirus)以及螺原體噬菌體(Spiromicrovirus)。