Cell |高寧課題組與合作者報(bào)道一種細(xì)菌可收縮注射系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)
2019年3月21日，北京大學(xué)高寧團(tuán)隊(duì)和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所金奇團(tuán)隊(duì)共同在Cell雜志發(fā)表題為《Cryo-EM Structure and Assembly of an Extracellular Contractile Injection System》的研究論文，利用冷凍電鏡技術(shù)完整地解析了細(xì)菌中廣泛存在的一類可收縮注射系統(tǒng)（Contractile Injection Systems, CISs）的高分辨率結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了其組裝模型。
細(xì)菌CIS是一類非常重要的細(xì)胞穿刺納米裝置，可以將細(xì)菌的核酸和蛋白質(zhì)等效應(yīng)因子轉(zhuǎn)移到其它細(xì)胞中，介導(dǎo)細(xì)胞間的相互作用，在細(xì)菌自身防御和致病性中扮演了十分重要的角色。細(xì)菌CIS與我們熟悉的T4噬菌體的可收縮尾部有著高度的相似性：可收縮的外筒（Sheath）利用基板復(fù)合物（Baseplate）形成著力點(diǎn)，通過收縮旋轉(zhuǎn)動(dòng)作將攜帶效應(yīng)因子的剛性內(nèi)筒(Tube)穿刺進(jìn)入受體細(xì)胞。根據(jù)工作機(jī)制的差異，細(xì)菌CIS可以大致分為兩大類型，一類是研究較多的以VI型分泌系統(tǒng)（T6SS）為代表的錨定在細(xì)胞膜上的CIS，另一類是細(xì)胞外CIS（extracellular CIS，eCIS）。T6SS位于革蘭氏陰性菌的胞內(nèi)，以自身細(xì)胞膜為錨定點(diǎn)將效應(yīng)因子注射進(jìn)入受體細(xì)胞。eCIS組裝完成后分泌到胞外（或者通過細(xì)胞自身裂解釋放），以受體細(xì)胞為錨定點(diǎn)進(jìn)行細(xì)胞攻擊，包括R-type pyocins，以及一種細(xì)胞變態(tài)相關(guān)的可收縮結(jié)構(gòu)（metamorphosis-associated contractile structures，MACs）等。eCIS的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制有待深入的研究。
PVC收縮狀態(tài)的全局結(jié)構(gòu)及各部分的高分辨結(jié)構(gòu)
來自發(fā)光桿菌的Photorhabdusvirulence cassette（PVC）代表一類大量存在于細(xì)菌和古細(xì)菌中的細(xì)胞外eCIS。封裝好的PVC分泌到胞外后，可以將攜帶的效應(yīng)因子注射進(jìn)昆蟲細(xì)胞中，誘導(dǎo)肌動(dòng)蛋白的凝結(jié)。作為一種可以特異靶向真核細(xì)胞的eCIS，PVC的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制都不清楚。PVC顆粒本身較大，可以組裝為不同長度的顆粒，優(yōu)勢長度約為117納米，直徑為28納米。PVC顆粒可以完美展示冷凍電鏡技術(shù)在復(fù)雜樣品的結(jié)構(gòu)解析方面的優(yōu)勢：首先其尺寸巨大，具有不同長度且處于不同功能狀態(tài)；其次各部分的對(duì)稱性并不匹配，從針尖到內(nèi)外筒部分，對(duì)稱性從C1、C3變化到C6。該工作通過局部重構(gòu)的方式獲得了PVC各部分的精細(xì)結(jié)構(gòu)，包括預(yù)收縮狀態(tài)的基板復(fù)合物（C6對(duì)稱，3.5 Å）、固定內(nèi)外筒的帽子結(jié)構(gòu)（C6對(duì)稱，3.8 Å）、內(nèi)外筒復(fù)合物（螺旋對(duì)稱，2.9 Å）以及收縮狀態(tài)的外筒結(jié)構(gòu)（螺旋對(duì)稱，3.7 Å），并進(jìn)一步重構(gòu)了優(yōu)勢長度PVC裝置的中等分辨率的整體結(jié)構(gòu)（6.2 Å）。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)大小超過10 MDa的裝置類似于一個(gè)簡化的T4噬菌體尾部結(jié)構(gòu)，多數(shù)組成元件與T4尾部具有基因同源性，并進(jìn)行了簡化和基因融合。另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，末端的帽子結(jié)構(gòu)與內(nèi)管的最頂層對(duì)接，并用六個(gè)伸展臂與外筒結(jié)合，從而將內(nèi)外筒一起鎖定在預(yù)收縮狀態(tài)。此外，該工作利用生化檢測及負(fù)染電鏡對(duì)各個(gè)亞基缺失的PVC裝置的組裝情況進(jìn)行觀察，以此提出了PVC的組裝模型。該工作提供的大量豐富結(jié)構(gòu)信息對(duì)該類eCIS的作用機(jī)制研究提供了一個(gè)框架。eCIS因?yàn)槠浒l(fā)揮功能時(shí)位于胞外，并且相比于其它的分泌系統(tǒng)組成成分簡單，具有潛在的應(yīng)用前景，結(jié)構(gòu)的闡釋為進(jìn)一步將這類納米裝置用作生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的傳遞工具奠定了基礎(chǔ)。
高寧教授和金奇教授為本文的通訊作者。病原所江峰副研究員、北京大學(xué)李寧寧副研究員以及金奇組助理研究員王霞、高寧組博士生程稼萱為本文的共同第一作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王憶平教授及其團(tuán)隊(duì)也參與了部分工作。本工作獲得了科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委、中國科協(xié)青年托舉人才工程、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程及北京大學(xué)生命聯(lián)合中心的經(jīng)費(fèi)支持。冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集得到了鳳凰工程清華平臺(tái)的支持，負(fù)染電鏡分析得到了北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院儀器中心的支持，結(jié)構(gòu)計(jì)算得到了北京大學(xué)計(jì)算中心高性能平臺(tái)的支持。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30202-8
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