上海交大董濤團隊在VI型分泌系統(tǒng)消殺革蘭氏陽性菌的機制研究方面取得新發(fā)現(xiàn)
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國家重點實驗室董濤團隊發(fā)現(xiàn)了一種可殺傷多種病原細菌和真菌的VI型蛋白分泌系統(tǒng)（T6SS）。相關(guān)研究成果以“Delivery of an Rhs-family nuclease effector reveals direct penetration of the gram-positive cell envelope by a type VI secretion system in Acidovorax citrulli”為題發(fā)表于由中國科學(xué)院微生物研究所和中國微生物學(xué)會共同主辦的微生物學(xué)綜合性英文期刊mLife。生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生裴同同為第一作者，董濤研究員為通訊作者。本文是董濤團隊繼續(xù)深入探究病原細菌之間相互作用而取得的新發(fā)現(xiàn)，首次揭示了T6SS能穿透革蘭氏陽性菌實現(xiàn)深入其細胞質(zhì)的蛋白遞送，拓寬了領(lǐng)域內(nèi)對T6SS功能和作用范圍的認識，對開發(fā)抑制耐藥病原菌的新手段有重要意義。
圖1：細菌細胞壁的結(jié)構(gòu)示意圖(1);
PG：細胞壁；PM：內(nèi)膜；OM：外膜
細菌與環(huán)境中其他細菌、真菌或真核宿主之間的相互作用，對于其在復(fù)雜生境中的存活，乃至整個菌群的功能都至關(guān)重要。而細菌VI型蛋白分泌系統(tǒng)（T6SS）在這個過程中發(fā)揮了不可替代的作用。T6SS是一種廣泛存在于革蘭氏陰性細菌中的針狀武器，具有內(nèi)外雙管結(jié)構(gòu)，并且通過外管的收縮，可在2毫秒內(nèi)將內(nèi)管及其結(jié)合的效應(yīng)蛋白彈射至細胞外。這個過程釋放的能量相當(dāng)于1000個ATP分子的水解能，其作用力已被證實可以直接穿透革蘭氏陰性細菌及真菌的細胞膜和細胞壁。然而，由于革蘭氏陽性細菌的細胞壁的成分和厚度與革蘭氏陰性細菌有很大不同，T6SS能否穿透革蘭氏陽性細菌的細胞壁以實現(xiàn)深入細胞質(zhì)的蛋白運輸是領(lǐng)域內(nèi)一直沒有解決的問題。
圖2：效應(yīng)蛋白RhsB的酶學(xué)活性、自剪切特性和分泌途徑。(A)?rhsB的基因簇。(B) RhsB具有降解DNA的活性。(C) D1484A和D280A突變能夠抑制RhsB的自我剪切。(D) 敲除RhsB載運蛋白或伴侶蛋白基因減弱了AAC00-1對革蘭氏陽性菌的殺傷能力。
本研究發(fā)現(xiàn)西瓜嗜酸菌Acidovorax citrulli?AAC00-1能夠利用其T6SS有效殺傷多種微生物，包括革蘭氏陽性細菌和真菌。為了探究效應(yīng)蛋白在其中發(fā)揮的功能，作者構(gòu)建了效應(yīng)蛋白突變體庫，并檢測了各個突變體的T6SS活性。實驗表明兩個Rhs家族效應(yīng)蛋白RhsB和RhsE的失活突變體在攻擊革蘭氏陰性和陽性細菌上都表現(xiàn)出減弱的殺菌能力。作者對效應(yīng)蛋白RhsB及其所在基因簇進行了進一步的探究。利用生化和遺傳突變實驗，作者發(fā)現(xiàn)了RhsB的免疫蛋白RimB1和RimB2，鑒定了RhsB的核酸酶活性及剪切特性，并解析了RhsB的分泌途徑。通過使用植物侵染模型，本研究還發(fā)現(xiàn)AAC00-1在植物宿主環(huán)境中仍然具有T6SS活性，能夠有效清除環(huán)境中的其他競爭細菌。
圖3：?T6SS在植物宿主環(huán)境具備殺菌活性;
AC：西瓜嗜酸菌AAC00-1；CW：細胞壁；IM：內(nèi)膜；OM：外膜
在過去的研究中，領(lǐng)域內(nèi)往往聚焦于人類病原菌中T6SS功能的研究，并發(fā)現(xiàn)不同來源的T6SS針對其它細菌和真菌展現(xiàn)出了不同的殺傷作用。相比之下，有關(guān)植物病原菌的T6SS功能研究較少。然而，本研究顯示植物病原菌的T6SS在消殺多種細菌和真菌中似乎具有更全能的優(yōu)勢，在抑制多重耐藥菌和生物防治等方面有重大的應(yīng)用潛力。后續(xù)的研究將繼續(xù)聚焦于T6SS如何穿透不同類型的細胞屏障，并挖掘協(xié)助T6SS發(fā)揮毒性作用的潛在輔因子，以實現(xiàn)對T6SS的工具化改造。
該研究獲國家重點研發(fā)計劃（2020YFA0907200）和國家自然科學(xué)基金委(31770082，32030001)等多個項目的支持。
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論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mlf2.12007
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