生命學(xué)院李雪明課題組在細(xì)菌curli菌毛生成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究中取得進(jìn)展
2020年1月13日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李雪明研究組在《自然通訊》（Nature Communications）雜志在線發(fā)表題為“curli菌毛生成系統(tǒng)的組裝和底物識別”（Assembly and substrate recognition of curli biogenesis system）的研究論文。該論文報道了細(xì)菌curli菌毛生成系統(tǒng)（也稱細(xì)菌八型分泌系統(tǒng)）膜上通道復(fù)合物的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段和生化研究揭示了其新的組裝機(jī)制和底物識別機(jī)制。同時，該研究開發(fā)了一個新的多肽抑制劑，為之后curli生成系統(tǒng)抑制劑的研發(fā)提供了新思路。
為了在宿主體內(nèi)或者環(huán)境中更好的定植和生存，許多細(xì)菌選擇聚集在一起形成由蛋白，核酸以及多糖形成的親水基質(zhì)包裹的封閉群落。這些由大量親水大分子包裹的基質(zhì)叫作生物被膜。細(xì)菌的生物被膜在很多感染性疾病中充當(dāng)重要的致病因素，例如屏蔽型靜脈導(dǎo)管，人工瓣膜感染性心內(nèi)膜炎，以及Foley導(dǎo)管相關(guān)性尿路感染。curli菌毛作為生物被膜的重要組成部分，研究curli菌毛生成系統(tǒng)的組裝和分泌機(jī)制對發(fā)展生物被膜相關(guān)疾病的治療方法和治療藥物至關(guān)重要。curli生成系統(tǒng)由7個curli特異性相關(guān)基因（CsgA，CsgB，CsgC，CsgD，CsgE，CsgF和CsgG）組成，CsgA和CsgB是八型分泌系統(tǒng)的底物，CsgE，CsgF以及CsgG是分泌通道復(fù)合物的組成成分，負(fù)責(zé)特異性識別和分泌天然底物CsgA和CsgB。目前，對于通道復(fù)合物是如何組裝以及底物CsgA是如何被通道復(fù)合物識別并分泌的機(jī)制并不清楚。
李雪明課題組通過冷凍電鏡單顆粒重構(gòu)的方法解析了大腸桿菌來源的curli生成系統(tǒng)膜上通道復(fù)合物CsgFG以及結(jié)合了底物的通道符合物CsgFG-CsgAN22的高分辨率結(jié)構(gòu)，分辨率分別達(dá)到3.38 A 和3.34 A。CsgFG復(fù)合物的結(jié)構(gòu)顯示CsgF與CsgG形成9:9結(jié)合的雙孔道復(fù)合物，CsgF的N端（CsgFN）插入到CsgG的b桶內(nèi)部與CsgG相互作用。體外蛋白結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證CsgFN與CsgG相互作用，CsgF的C端（CsgFC）與CsgB相互作用。進(jìn)一步的體外蛋白結(jié)合實(shí)驗(yàn)顯示CsgB結(jié)合CsgA，CsgF不結(jié)合CsgA。綜合電鏡結(jié)構(gòu)和體外蛋白結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們提出了CsgG-CsgFN-CsgFC-CsgB-CsgA的組裝方式，闡明了curli纖維如何結(jié)合到細(xì)菌表面的機(jī)制。此外，通過將CsgF的孔道氨基酸Asn17突變成不同側(cè)鏈性質(zhì)的氨基酸，我們發(fā)現(xiàn)疏水和帶電氨基酸不利于親水底物的轉(zhuǎn)運(yùn)，而親水不帶電的氨基酸更有利于底物轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)把Asn17突變成長鏈的Arg，縮小了孔道的大小，同樣也會影響底物的分泌?；谠搶?shí)驗(yàn)結(jié)果，我們設(shè)計了一個多肽抑制劑PeptideNN17R，剛果紅實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該抑制劑具有較強(qiáng)的抑制作用。
CsgFG的雙孔道結(jié)構(gòu)和多肽抑制劑
我們解析的CsgFG-CsgAN22的結(jié)構(gòu)中顯示CsgA的N末端6個氨基酸能與CsgG通道的外表面結(jié)合。多序列比對和單突變的剛果紅實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示保守的Val3和Gln5對結(jié)合CsgG和分泌底物CsgA至關(guān)重要。體外蛋白結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)CsgE能結(jié)合CsgA的R1-5結(jié)構(gòu)域。CsgE的敲除菌株失去剛果紅的表型，而過表達(dá)CsgG蛋白后剛果紅表型得到恢復(fù)，這說明CsgE對底物分泌不是必須的，而是能提到轉(zhuǎn)運(yùn)效率，綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們提出了CsgA的識別轉(zhuǎn)運(yùn)模型。
CsgA的識別轉(zhuǎn)運(yùn)模型
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李雪明副教授為本文的通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院2019屆博士畢業(yè)生嚴(yán)照峰，清華大學(xué)PTN項(xiàng)目2019屆博士畢業(yè)生尹孟和清華大學(xué)生命學(xué)院2018級博士生陳佳楠為本文的共同第一作者。該工作的冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集在國家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）的清華大學(xué)冷凍電鏡平臺完成，數(shù)據(jù)處理在國家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）清華大學(xué)生物計算平臺完成。該工作獲得了生命科學(xué)聯(lián)合中心，北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心，國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-14145-7
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com