Cell |高寧課題組與合作者報道一種細菌可收縮注射系統(tǒng)的精細結(jié)構(gòu)
2019年3月21日，北京大學高寧團隊和中國醫(yī)學科學院病原生物學研究所金奇團隊共同在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。
細菌CIS是一類非常重要的細胞穿刺納米裝置，可以將細菌的核酸和蛋白質(zhì)等效應因子轉(zhuǎn)移到其它細胞中，介導細胞間的相互作用，在細菌自身防御和致病性中扮演了十分重要的角色。細菌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）利用基板復合物（Baseplate）形成著力點，通過收縮旋轉(zhuǎn)動作將攜帶效應因子的剛性內(nèi)筒(Tube)穿刺進入受體細胞。根據(jù)工作機制的差異，細菌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）為代表的錨定在細胞膜上的CIS，另一類是細胞外CIS（extracellular CIS，eCIS）。T6SS位于革蘭氏陰性菌的胞內(nèi)，以自身細胞膜為錨定點將效應因子注射進入受體細胞。eCIS組裝完成后分泌到胞外（或者通過細胞自身裂解釋放），以受體細胞為錨定點進行細胞攻擊，包括R-type pyocins，以及一種細胞變態(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菌和古細菌中的細胞外eCIS。封裝好的PVC分泌到胞外后，可以將攜帶的效應因子注射進昆蟲細胞中，誘導肌動蛋白的凝結(jié)。作為一種可以特異靶向真核細胞的eCIS，PVC的結(jié)構(gòu)及工作機制都不清楚。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?？梢酝昝勒故纠鋬鲭婄R技術(shù)在復雜樣品的結(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)；其次各部分的對稱性并不匹配，從針尖到內(nèi)外筒部分，對稱性從C1、C3變化到C6。該工作通過局部重構(gòu)的方式獲得了PVC各部分的精細結(jié)構(gòu)，包括預收縮狀態(tài)的基板復合物（C6對稱，3.5 Å）、固定內(nèi)外筒的帽子結(jié)構(gòu)（C6對稱，3.8 Å）、內(nèi)外筒復合物（螺旋對稱，2.9 Å）以及收縮狀態(tài)的外筒結(jié)構(gòu)（螺旋對稱，3.7 Å），并進一步重構(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)，這個大小超過10 MDa的裝置類似于一個簡化的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，并進行了簡化和基因融合。另一個重要發(fā)現(xiàn)是，末端的帽子結(jié)構(gòu)與內(nèi)管的最頂層對接，并用六個伸展臂與外筒結(jié)合，從而將內(nèi)外筒一起鎖定在預收縮狀態(tài)。此外，該工作利用生化檢測及負染電鏡對各個亞基缺失的PVC裝置的組裝情況進行觀察，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)信息對該類eCIS的作用機制研究提供了一個框架。eCIS因為其發(fā)揮功能時位于胞外，并且相比于其它的分泌系統(tǒng)組成成分簡單，具有潛在的應用前景，結(jié)構(gòu)的闡釋為進一步將這類納米裝置用作生物醫(yī)學應用中的傳遞工具奠定了基礎。
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。北京大學生命科學學院王憶平教授及其團隊也參與了部分工作。本工作獲得了科技部、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委、中國科協(xié)青年托舉人才工程、中國醫(yī)學科學院醫(yī)學與健康科技創(chuàng)新工程及北京大學生命聯(lián)合中心的經(jīng)費支持。冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集得到了鳳凰工程清華平臺的支持，負染電鏡分析得到了北京大學生命科學學院儀器中心的支持，結(jié)構(gòu)計算得到了北京大學計算中心高性能平臺的支持。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30202-8
版權(quán)與免責聲明：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或證實其真實性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負責。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com