全 文 ：·综述与专论· 2013年第11期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
末端酶是一类多功能的寡聚蛋白，广泛存在于
各种 dsDNA 病毒中，包括原核病毒（噬菌体）和真
核病毒。目前已经有 700 多种 dsDNA 病毒的末端酶
被鉴定，研究得较为透彻的是 λ 噬菌体和 T4 噬菌体
的末端酶。
在噬菌体裂解周期中，DNA 的包装是一个重要
的过程，这一过程需要多种蛋白与噬菌体基因组相
互协作，而末端酶在其中起到关键作用。对末端酶
研究较为深入的噬菌体有 λ、T4、SPP1、P22、sf6 等。
本文综述了末端酶在噬菌体中的定位、结构和功能，
以及在包装过程中的作用。
1 末端酶在噬菌体中的定位
末端酶全酶是由大、小亚基组成的异源寡聚体，
编码大、小亚基的基因通常相邻或为重叠基因（如
收稿日期 ：2013-03-20
基金项目 ： 国家“十五”科技攻关项目（2001BA708B07-03），国家“973 计划”项目（2003CB114202）
作者简介 ：宋少云，女，实验师，研究方向 ：生物杀虫剂的中试应用 ；E-mail ：lssssy@mail.sysu.edu.cn.
通讯作者 ：庞义，男，教授，研究方向 ：生物防治及微生物杀虫剂 ；E-mail ：pangy@mail.sysu.edu.cn
末端酶及其在噬菌体包装中的作用
宋少云1  贾艳华1，2  祝心舟1  庞义1
（1. 中山大学生命科学学院 有害生物防治与资源利用国家重点实验室，广州 510275 ；2. 中国农业科学院植物保护研究所
植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193）
摘 要 ： 噬菌体的末端酶是一类寡聚体多功能蛋白，由大小亚基组成，在噬菌体 DNA 包装过程中有重要作用。大亚基是多
功能酶，在包装中起主要作用 ；小亚基与基因组特异性结合，引导包装进程的进行。综述末端酶定位、结构和功能以及在噬菌体
包装过程中的作用。
关键词 ： 噬菌体 末端酶 包装 寡聚蛋白
Terminase and Its Function in Packaging Process of Bacteriophage
Song Shaoyun1 Jia Yanhua1，2 Zhu Xinzhou1 Pang Yi1
（1. State Key Laboratory of Biocontrol，School of Life Sciences，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275 ；2. State Key Laboratory for
Biology of Plant Diseases and Insect Pests，Institute of Plant Protection，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193）
Abstract:  Terminase of bacteriophage which contains small subunit and large subunit is a family of multifunctional oligomeric protein.
It’s important for the packaging. Large subunit is a multifunctional enzyme and plays a major role in the packaging. Small subunit specific binds
the genomic DNA of bateriophage and guides the process of packaging. This paper reviews the position of the terminase, structure, function and
the role in packaging process.
Key words:  Bacteriophage Terminase Packaging Oligomeric protein
T4）［1，2］。大亚基可特异结合病毒衣壳顶角处的孔
蛋白、金属离子及 ATP［3，4］；小亚基可特异识别与
结合病毒核酸及 ATP［5］。在不同噬菌体中，转录时
相往往具有一致性，通常为中期或中晚期转录。有
些大小亚基基因紧密连锁，处在同一操纵子上，转
录发生于同一转录本，而另一些大小亚基基因则分
别分布于基因组的两端，转录发生时，受到精密调控。
某些情况下，小亚基的存在使得大亚基基因的转录
受到抑制。在体内，末端酶介导的 DNA 包装与复制
依赖性的晚期转录具有紧密联系，如 T4 噬菌体中，
晚期基因的产物 Gp45 和 Gp55 是 DNA 包装所必需
的［6，7］。通过分离包装中间体的电镜观察发现，末
端酶与噬菌体基因组形成核酸－蛋白复合体，并与
衣壳顶端的门蛋白相互作用组成包装机器［8］，双层
环状排列（图 1）［3］ 。成熟的噬菌体中并不含末端酶，
2013年第11期 41宋少云等 ：末端酶及其在噬菌体包装中的作用
这是因为在包装过程中，末端酶驱动基因组 DNA 进 入前衣壳，但最后并不成为衣壳的组分［9］。
gp16 ：小亚基 ；gp17 ：大亚基 ；gp20 ：门蛋白
图 1　T4 噬菌体末端酶在包装中间体的位置［3］
ATP
ADP+Pi
1 ATPase domain 360 610Nuclease domain
Large terminase gp17
gp20
gp17
gp16
NH2-(141)-YQ-(17)-SRQLGKT-(83)-MIYIDE-(28)-TTT-(73)
Adenine
Binding
Walker A Walker B
Calalytic
Carboxylate
C motif
2 末端酶的结构和功能
在体内末端酶大、小亚基的化学计量关系仍不
明确，一般认为是 1∶1［10］。但最近研究表明，在
λ 噬菌体中大亚基 GpA 和小亚基 GpNu1 的比例为
1∶2［11，12］。大亚基几乎包括了 DNA 包装过程中所
需的所有酶活 ；而小亚基特异性的结合 DNA，起识
别作用。体外试验表明，噬菌体的包装必须同时具
备末端酶的大小亚基［4］。
2.1 大亚基的结构和功能
大亚基通常由 400-750 个氨基酸组成，在溶
液中以单体形式存在，具有 ATP 酶、核酸内切酶
和 DNA 解旋酶活性，主要由 ATP 酶和核酸内切酶
两个结构域组成（图 1）［13-17］，ATP 酶结构域位于
大亚基的 N 端，包括 Q-模序（Q-motif）、Walker A、
Walker B 和 C-模序 4 个保守区域（图 1-2）［18］ 。Q-
模序又称腺苷结合位点，距 N 端最近，具有保守的
谷氨酰胺残基［18］。Walker A 和 Walker B 是 ATP 酶
中最早被发现的两个保守模序，保守序列分别为
G-4X-G-K-T-6X-I/V 和 R/K-3X-G-3X-L-4Z-D-E（Z 代
表疏水性氨基酸）［3，17，18］。Walker A 模序又称为
P 环（P-loop），与 ATP 水解后的磷酸结合 ；Walker
B 模序形成 β-折叠二级结构，其中的谷氨酸残基
是 ATP 酶的催化位点［3，17，18］。在某些噬菌体中，
Walker A 与 Walker B 模序（图 1，图 2）与上述序
列存在较大差异，如 λ 噬菌体大亚基 GpA 中的赖氨
酸残基被提前到 Walker A 模序的最前端，T7 噬菌体
大亚基 Gp19 中的催化位点被天冬氨酸残基代替。C-
模序是由 3 个氨基酸残基组成的 ATP 酶偶联模序，
3 个位点保守性依次上升，第 3 个氨基酸保守性最
强，通常为苏氨酸或丝氨酸残基，少数情况下为天
冬酰胺残基［3］。C-模序在末端酶中具有十分重要的
功能。T4 噬菌体大亚基 Gp17 的 C-模序突变体表现
为核酸酶活性丧失、小亚基或包装刺激的 ATP 酶活
性丧失以及体外 DNA 易位受阻。然而，该突变体仍
然能结合 ATP 并进行一次 ATP 水解，水解速率与野
生型相近，但不能重复 ATP 水解这一过程［3］。有研
究将大亚基中的 Q 模序上氨基酸突变发现，这些位
点对 ATP 的识别与水解起着重要的作用［19，20］。
在有尾噬菌体中，DNA 包装驱动需要核酸酶活
性将噬菌体基因组正确的切割，当 DNA 易位时，核
酸酶活性被严谨的调节为失活状态。核酸酶活性的
发挥依赖于 ATP 水解供能，因此这两个结构域之间
紧密联系，缺失任一结构域的突变体均不能表现包
装活性［21］。核酸酶结构域中具有金属结合簇（metal
binding cluster），是二价阳离子结合的部位，为大
亚基发挥解旋酶与核酸酶活性所必需［22］。不同噬
菌体对二价阳离子的偏好性不同，T4 噬菌体需要
Mg2+［23，24］， 而 Ф29 噬 菌 体 则 需 要 Ca2+［25］。SPP1
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第11期42
噬菌体的大亚基 G2P 需要 Mg2+ 作为核酸酶的辅基，
但对 Mn2+、Ca2+、Zn2+ 等也有一定耐受性，只是核
酸酶活性会有不同程度的下降［26］。解旋酶活性是大
亚基发挥核酸酶活性必需的，但其模序和作用机制
并不清楚，只推测其活性也和 ATP 酶耦联。同源性
分析表明，末端酶大亚基和 SF2 解旋酶（亚家族 2）
位于进化树的同一分支，与 SF1、SF3 解旋酶具有共
同的祖先——易位酶［3］，据此也可证明大亚基对包
装过程中的 DNA 易位具有关键作用。
已解析的巨细胞病毒末端酶大亚基 UL89 的三
维结构显示它包含末端酶的核酸酶的结构域，并与
RNase H 的 相 似， 其 运 输 DNA 需 要 Mn2+ 的 存 在，
并且可以由 Raltegravir 失活［27］，因此 UL89 可以用
作药物的靶标开发抗病毒药物产品。
2.2 小亚基的结构和功能
小亚基由 150-200 个氨基酸组成，在溶液中以
寡聚体形式存在并呈双层环状排列。T4 噬菌体中小
亚基 Gp16 形成八聚体环，直径为 8 nm，中间的孔
洞 为 2 nm［28］， 在 体 外， 包 装 线 性 DNA，Gp16 可
有可无，但在体内，小亚基的存在是必需的［7，29］；
P22 噬菌体中为九聚体［14］，P22 Ala112-Thr 突变体
和 SPP1 噬菌体中小亚基均形成十聚体［14，30］。寡聚
化与小亚基中某些模序有关，在 T4 噬菌体中，小
亚 基 Gp16 具 有 卷 曲 螺 旋 模 序（coiled coil motifs，
CCMs）［31］，被认为是 Gp16 寡聚化的结构基础。
小亚基能特异性识别被包装的 DNA，并调节大
亚基 ATP 酶与核酸酶的活性，从而调控包装进程。
寡聚化状态与小亚基行使功能密切相关。DNA 结合
域（DNA binding domain，DBD）是小亚基特异性结
合包装起始信号 pac 或 cos 的部位，通常为螺旋 -
转角 - 螺旋（HTH）模序［32，33］。在体外试验中，小
亚基可以与 DNA 非特异性结合，并且寡聚体比单体
的结合能力要强［14］。大亚基的 ATP 酶活性经小亚基
和 DNA 的核酸蛋白复合物刺激后大幅增强。在 SPP1
中，小亚基 G1P 单体可使大亚基 G2P 的 ATP 酶活
性增强 3.5 倍，随着 G1P 寡聚化程度增加，G2P 的
ATP 酶活性增强幅度更大，但核酸酶活性却减弱［32］。
在 T4 中，小亚基 Gp16 刺激引起大亚基 Gp17 ATP
酶活性的增强甚至高达 50 倍，但 Gp16 单体却没有
刺激作用［34，35］。小亚基 Gp16 除可以刺激大亚基
Gp17 的 ATPase 活性外，也可以在 ATP 存在的条件
下，引发大亚基产生核酸酶活性［36，37］。通常情况下，
小亚基本身并不具有 ATP 酶和核酸酶活性，但在 λ
噬菌体中发现小亚基 GpNu1 中也存在一个低亲和力、
DNA 刺激依赖性的 ATP 水解催化位点［38，39］。尽管
小亚基本身不具有酶活，但二价阳离子在小亚基和
DNA 的相互作用中同样是必需的［40］。
3 末端酶在 dsDNA 噬菌体包装中的作用
不论是 dsDNA 噬菌体还是 dsDNA 病毒，末端
酶在将病毒 DNA 包装到空衣壳中都起着重要的作
用［33］。包装机器由上述的末端酶、基因组 DNA 和
门蛋白组成，在包装过程中各组分之间相互协作，
NH2141- YQ -17- SRQLGKT -83- MIYIDE -28- TTT -61- R349 Q -
Adenine
Binding
catalytic
carboxylate
ATP
coupling
Lrypsin
cleavage position C-terminal 33 residues
Full length gp17aa 1610
gp17-K577aa 1577
N360aa 1360
C360aa 360577
Nuclease domain
577 6103601
ATPase domain
NH2 -4- HHHHHH -6- R17 -8-
Hexa-histidine
trypsin cleavage
NH2401- DCSEGRGQDYHAL -22- H -123- IDYADKDD -567-
Nuclease portal binding?
Walker A Walker B
图 2 T4 噬菌体大亚基 Gp17 的 ATP 酶和核酸酶结构域［18］
2013年第11期 43宋少云等 ：末端酶及其在噬菌体包装中的作用
不可或缺。
dsDNA 噬菌体的包装是将负电性的基因组 DNA
压缩进狭小的头部，因而需要末端酶提供强大的动
力。Ф29 噬菌体中高达 59pN，是肌球蛋白所能提
供动力的 25 倍［41］，如此强大的动力使得包装速度
十分惊人。在 T4 噬菌体中最高可达 2 000 bp/s，平
均也可达到 700 bp/s［42］，随之带来的是高能耗，每
分子 ATP 仅能驱动 2 bp 的 DNA 包装 ［3，42］。每个单
体 Gp17 相当于 400 ATPs/gp17 min［43］，ATP 除了水
解提供能量外，还作为别构剂帮助包装过程中核酸－
蛋白复合物的形成。包装酶（末端酶）和体外包装
系统揭示了依赖于 DNA 的 ATPase 活性，这些结果
表明 ATP 在 DNA 包装反应过程中有多重作用。
在 headful 包装中，末端酶的小亚基首先结合
pac 切割位点（pac cleavage，pacC）附近的位点。λ
噬菌体小亚基 GpNu1 结合的是切割位点 cosN 右端
的 cosB，而 SPP1 噬菌体小亚基 G1P 首先与 pacC 两
侧的 pacL 和 pacR 结合，这一结合可被多种化学试
剂抑制，如偏端霉素、二价阳离子、甲基绿等，其
中偏端霉素的抑制作用可被 BaCl2 解除
［44-46］。小亚
基与 pac 位点的结合导致基因组 DNA 的弯曲成环，
从而形成核酸 - 蛋白复合物，进一步诱导大亚基和
门蛋白的结合装配成包装机器。在体外试验中，包
装不需要 pac 信号，推测在体内 pac 位点的切割很
可能是满头包装的限速步骤。因此，保证 pac 位点
切割的效力和精确度是至关重要的，在 λ 噬菌体这
种保证依赖于 ATP 和 cosB，而 SPP1 中则依赖于偏
端霉素 A［46，47］。
具有游离的末端是 dsDNA 作为包装底物的必要
条件。除了噬菌体基因组外，许多线性质粒也可被
包装，而共价闭合的环形质粒则不行。另外，具有
发卡结构、高频错配和末端有单链延伸的 DNA 及各
类 RNA 等也不能被包装 ；而含有单缺刻的 DNA 因
为不能与末端酶 - 前衣壳复合物稳定结合，包装效
率会显著下降。某些 headful 包装的噬菌体不具备
pac 片段，如 ES18、Sf6、HK620 等［48，49］，这是因
为它们基因组末端的种类比较特殊，而基因组末端
的种类可以通过末端酶大亚基的序列预测。Casjens
等［48］将末端酶大亚基分成 8 类，并通过大亚基的
序列精确预测了几种新型噬菌体基因组末端的种类。
作为 DNA 包装机器的一部分，门蛋白不仅影响
包装效率，也是 headful 包装传感器的中心组成部分，
决定了进入前衣壳的病毒基因组大小，同时还能保
持包装极性，防止 DNA 从前衣壳中逸出［50］。
4 结语
目前对末端酶的各个功能域的研究并不深入，
大量保守基序和作用机理还有待揭示，而其介导的
包装机制中也有许多问题有待解决。同时，因为对
末端酶的研究还集中于少数几种噬菌体，很多特性
的推广往往会遇到特例，亟需扩大研究对象的范围
以挖掘共性。
由于末端酶广泛存在于各种 dsDNA 病毒中，并
在包装过程中具有重要地位，因此这一领域的研究
具有广阔的应用前景。一方面，利用包装位点的序
列特异性插入外源基因并包装至衣壳，可以作为基
因治疗的载体或用作基因改造 ；另一方面，可以以
此作为靶位点筛选抗病毒包装的新药，不仅可以防
治工业菌种（如苏云金芽孢杆菌）的噬菌体污染，
还可有效针对许多 dsDNA 病毒引起的人畜疾病开发
药物等，在工农业生产和公共卫生事业中均具有重
要的意义。
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（责任编辑 马鑫）