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《Nature | 细菌气朊孔的结构和组装》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2024-03-24

  • 2024年3月20日，美国德州大学西南医学中心的研究人员在Nature在线发表题为Structure and assembly of a bacterial gasdermin pore的文章。

    在对病原体感染的反应中，气皮蛋白(GSDM)形成膜孔，诱导宿主细胞死亡过程，称为焦亡。对人类和小鼠GSDM孔的研究已经揭示了由24 - 33个原蛋白组成的组件的功能和结构，但膜靶向和GSDM孔形成的机制和进化起源仍然未知。

    该研究确定了细菌GSDM (bGSDM)孔的结构，并定义了孔组装的保守机制。该研究设计了一组bGSDMs用于特定位点的蛋白水解激活，证明了不同的bGSDMs形成不同的孔隙大小，从较小的哺乳动物样组装到含有超过50个原聚体的超大孔隙。研究人员确定了Vitiosangium bGSDM的低温电镜结构，并分析了天然脂质环境中的bGSDM孔隙，以创建一个完整的52聚合物bGSDM孔隙的原子水平模型。将结构分析与分子动力学模拟和细胞分析相结合，

    该研究结果支持GSDM孔组装的阶梯模型，并表明共价结合的棕榈酰可以在形成跨膜的β链区域之前离开疏水鞘并插入膜中。这些结果揭示了自然界中发现的GSDM孔的多样性，并解释了一种古老的翻译后修饰在使宿主细胞程序性死亡中的作用。

  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07216-3
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相关报告

  • 《Nature：细菌外膜的强度远超人们的想象》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2018-07-23
    • 一个多世纪以来，科学家们一直在研究作为一种抵抗感染模型的大肠杆菌，即一种导致食物中毒的细菌之一。这样的研究已导致人们开发出穿过细菌的保护性细胞壁来杀死它们的众多抗生素。 如今，在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学等研究机构的研究人员报道科学家们之前忽略了大肠杆菌的薄薄外膜紧贴它的厚厚细胞壁的物理力量。相关研究结果于2018年7月18日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“The outer membrane is an essential load-bearing element in Gram-negative bacteria”。论文通信作者为斯坦福大学生物工程师Kerwyn Casey Huang。 科学家很早之前就已知道许多细菌具有外膜。但是在此之前，人们认为它就像一层收缩包装，仅是让抗生素更难进入细菌细胞。但是正如这项新的研究显示的那样，外膜在物理上保护细胞，而且可能是新型抗菌药物的一种良好的靶标。 Huang说，“我们发现外膜能够起着一套盔甲的作用，而且实际上比细胞壁更强。这些年来，这个功能一直在人们的眼皮底下隐藏着，这让人感到羞愧。” Huang说，这些研究结果指出了一种抵抗大约一半具有外膜的细菌物种（比如大肠杆菌）的新型策略。他说，“如果我们能够攻击外膜，那么传染性细菌将会通过以其他方式破坏细胞的抗生素治疗加以事先削弱。” 化学盾牌（chemical shields） 所有细菌都有一个包围并保护它的内部的细胞壁。几十年前，科学家们已发现大肠杆菌和许多其他的细菌都有一个额外的被称作外膜的层来包围着它们的细胞壁。 自外膜被发现以来，它就已被用于将细菌划分为对革兰氏染色（一种常见的染色技术）作出反应和不作出反应的细菌。具有外膜的细菌不会对这种化学染色作出反应而被称为革兰氏阴性菌。具有裸露细胞壁的细菌对这种化学染色作出反应而被称为革兰氏阳性菌。 这两类细菌都可能具有传染性，而且当这种情形发生时，外膜的存在与否也可有助于确定它们是否将对抗生素作出反应性。具有外膜的革兰氏阴性菌往往对抗生素产生更强的抵抗力。 Huang 说，“科学家们知道外膜是化学盾牌。因此，当利用抗生素处理细胞时，这容易成为一种烦心的事儿。” 惊人的强度 然而，近年来，科学家们已获得了外膜比他们想象中的更重要的线索。在一项实验中，Huang实验室移除了大肠杆菌的细胞壁，但保留了它的外膜完整性。不出所料，这种细菌失去了它们的黄瓜形状而聚集成团块。但是这个团块中的很大一部分细菌会存活下来、发生增殖并最终再次产生新的黄瓜形大肠杆菌。这项新的研究为外膜必须发挥着重要的结构作用和保护作用提供了线索。 在过去四年中，这些研究人员测试了外膜的结构力量。他们突然地让细菌内部的压力猛降，但不像流行的假说所预测的那样这会导致细胞壁大幅地缩小，相反，他们发现这种外膜的强度足以维持几乎完整的大肠杆菌黄瓜形状。 在其他实验中，这些研究人员让大肠杆菌细胞经历两小时的压力快速增加和降低。大肠杆菌细胞通常会不理睬这些反复的压力变化，而且它们在生长时就好像没有发生任何变化。然而，当这些研究人员削弱外膜时，细菌细胞快速地死亡。Huang说，“一种强大的外膜的存在与否是生与死的区别。” 这些实验鉴定出一些让外膜具有惊人的强度的组分。Huang说，那些破坏了这个看似薄薄的外膜的药物可能有助于消灭传染性细菌。 Huang补充道，这项研究属于一个新兴的被称作机械生物学（mechanobiology）的研究领域。虽然科学家们曾将细胞看作是可通过化学手段加以研究的大量化学物质，但是如今，很多工具揭示出让细胞和器官发挥作用的极其复杂的结构性质。
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  • 《应用蓝细菌模式菌株研究光合膜天然结构取得重要进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2020-07-23
    • 光合作用是地球上最重要的生物能量转化过程之一，通过光合膜上光合复合物（光系统1 PSI、光系统2 PSII、细胞色素b6f复合体Cytb6f、ATP合成酶等）间的电子传递将光能转化为化学能。长期以来，人们对光合复合物的结构和功能进行了大量研究，获得了多种光合复合物单独的原子结构，对它们的功能也有了较深入的理解。然而，我们对这些复合物在天然类囊体膜上的结构状态及协作关系知之甚少，它们之间如何通过动态协作实现能量的传递及调控目前尚不清楚。 海洋试点国家实验室海洋生物学与生物技术功能实验室张玉忠教授团队同英国利物浦大学刘鲁宁教授团队等合作，利用高分辨率原子力显微镜技术，以蓝细菌模式菌株Synechococcus elongatus PCC 7942为研究材料，对其光合膜——类囊体膜进行了高分辨率成像，在纳米水平上展示了类囊体膜上光合复合物的天然结构及相互结合方式，并解释了类囊体膜结构和功能的光适应调节机制。 研究发现，高光下蓝细菌Synechococcus elongatus PCC 7942的类囊体膜上大量表达和组装叶绿素结合蛋白IsiA，并与PSI结合形成IsiA−PSI超分子复合物。与单颗粒电镜分析得到的相对均质的结构不同，原子力显微镜技术展示了天然类囊体膜上IsiA-PSI超分子复合物的结构多样性。PSI三聚体、二聚体、单体能够与IsiA单环、双环、三环或者多环结合，表明IsiA与PSI之间的相互结合具有很大的灵活性。 首次观察到了PSI的腔面结构特征，而且能够有效的分辨类囊体膜上PSI、PSII及Cytb6f复合物结构，准确地获取它们在膜上的空间分布信息。该研究观察到了PSII二聚体的平行成列排布，周围的PSI与PSII二聚体的之间的空间关系比较紧密，暗示了天然类囊体膜上可能存在PSII−PSI超分子复合物。PSII及Cytb6f二聚体穿插于PSI复合物中间，它们之间近距离相互作用形成了PSII−Cytb6f−PSI结构簇，有助于加快光合作用线性电子传递。通过进一步分析发现，PSI复合物与Cytb6f复合物之间存在多种不同的结合方式。 研究还发现PSI与NAD(P)H脱氢酶复合体NDH-1以及ATP合成酶之间也存在紧密的相互作用，而且它们之间的空间结合方式也具有多样性。PSI与其他复合物间的相互合作是实现并优化光合作用线性电子传递、环式电子传递以及光能吸收转化的结构基础。 对近生理状态下的蓝细菌类囊体膜结构的认知不仅可以加深我们对蓝细菌、真核藻类以及高等植物的光合装置的生理功能及环境适应的理解，并为利用合成生物学制造高效的人工光合膜和光能生物转化系统等研究提供重要的理论基础。 该项研究成果刊载于2020年7月13日Nature Plants（《自然-植物》）杂志 。论文由海洋试点国家实验室、山东大学、英国利物浦大学、中国海洋大学、英国玛丽女王学院和河南大学等单位相关学者合作完成，该研究得到了国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划等项目的资助。 相关论文信息：Nature Plants, 2020, 6: 869–882. DOI: 10.1038/s41477-020-0694-3。 https://www.nature.com/articles/s41477-020-0694-3
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