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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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  • 《Nature：外泌体能够抵御细菌毒素，对抗超级细菌感染》
    • 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：2020-11-11
    • 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）又称“超级细菌”，是1961年首先在英国发现的一类感染性革兰氏阳性致病菌。最开始MRSA的传播仅限于医院内感染免疫缺陷患者等易感人群，目前MRSA已发展出社区传播趋势，导致健康非易感人群个体的感染甚至死亡【1】。MRSA的危害性主要源于其能够分泌成孔毒素破坏宿主的细胞膜结构，引起细胞膨胀和溶解，最终导致细胞功能丧失甚至坏死，给宿主带来致命伤害。MRSA导致的严重感染是全球公共健康的巨大威胁，因此开发针对MRSA等严重病原菌的治疗策略是目前亟待解决的科学问题。 近日，来自纽约大学朗格尼健康中心的Victor J. Torres和Ken Cadwell教授合作在Nature发表了题为“Decoy exosomes provide protection against bacterial toxins”的研究论文，该研究揭示了ATG蛋白能够促进外泌体的释放，进而在体外结合多种病原毒素，协助宿主抵御病原菌的感染。 先前有研究表明从小鼠中获得的表达自噬蛋白Atg16l1的原代细胞，在α-毒素存在的情况下，金属蛋白酶ADAM10总体表达水平增加且细胞更容易发生裂解【2】。与之一致的是，作者发现，ATG16L1敲除后，人肺泡上皮细胞系A549的细胞表面以及总体ADAM10的表达水平均上升。用α-毒素处理ATG16L1敲除型细胞后，细胞死亡率上升，而ADAM10敲除型细胞则具有抵抗性。ATG16L1介导的磷脂酰乙醇胺与泛素样分子LC3的结合对自噬体生物发生以及随后的溶酶体降解底物必不可少【3】。抑制ATG16L1的结合因子ULK1（ATG16L1或ATG5上游激酶），细胞表面的ADAM10水平与ATG16L1敲除型细胞的表达水平一致，均有增加。 用溶酶体酸化抑制剂处理A549细胞，改变内吞体至细胞膜的运输循环后，总ADAM10以及自噬底物SQSTM1的表达水平增加，细胞表面的ADAM10表达水平则降低，而上皮细胞黏附分子（EpCAM）的膜表面ADAM10表达水平没有改变，表明溶酶体抑制剂不能影响所有的细胞膜表面分子的表达，ADAM10表达水平改变与溶酶体途径无关。同时，蛋白酶体抑制剂处理也不能影响ADAM10的表达水平。以上结果表明，ATG蛋白降低细胞表面ADAM10的表达水平是通过独立于溶酶体以及蛋白酶体途径进行的。 ATG蛋白可以通过分泌性自噬的方式介导可溶性以及囊泡结合底物的胞外释放【4】，ADAM10则通常能够整合到外泌体——直径为40 - 120nm的细胞外囊泡中【5】。因此作者推测，ATG蛋白可以通过自噬途径促进外泌体的释放从而抑制ADAM10的积累。通过分离ATG16L1敲除型细胞培养上清中的外泌体，作者发现低分子量的ADAM10水平减少。通过免疫印迹、透射电镜以及流式细胞分析表明ATG16L1敲除型细胞培养上清中，外泌体标志物CD9水平降低，外泌体中囊泡数量下降。 敲除自噬蛋白能显着降低培养上清中外泌体的总数，而敲除ATG16L1则能够降低ADAM10阳性的外泌体总数而非单个外泌体中ADAM10的含量。这些结果表明ATG蛋白能够调控外泌体的生物发生，而非与底物的结合。随后，作者敲除分泌性自噬途径中介导自噬体-溶酶体融合的关键蛋白STX17，发现ADAM10的表面表达水平并没有升高，而外泌体含量增加，表明ATG蛋白介导的外泌体释放是通过一种不同于传统自噬降解的方式进行。 为进一步探究病原与ATG依赖性外泌体产生之间的关系，作者以Heat-killed S. aureus(HKSA)、肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）、鼠柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium）和鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella enterica Typhimurium）为研究对象，发现这些病原菌可以促进人和小鼠细胞中外泌体的产生，细菌的DNA和CpG DNA能够作为外泌体的诱导物，且这一过程依赖于内吞DNA感应器——Toll样受体9（TLR9）。通过抑制多泡体（MVB）的出芽来阻止囊泡与外泌体的转换后，CpG DNA介导的外泌体产生过程受到了抑制。以上结果表明，TLR9下游的膜运输可能是通过调控内吞体运输和包括MVB在内的囊泡生物发生的方式，促进了外泌体的产生。 随后，作者探究了释放的囊泡是否能够结合毒素并抑制毒性，发现外泌体、HKSA或CpG DNA均能够保护宿主并抵抗α-毒素，且外泌体是通过在外泌体膜上诱导毒素的寡聚化从而保护细胞的。此外，作者还发现外泌体还能保护细胞并抵御白喉毒素，表明外泌体能够中和多种类型的毒素。为探究外泌体在体内的保护作用，作者将HKSA注射小鼠以诱导外泌体在血液中产生，发现与Atg16l1敲除型小鼠来源的外泌体相比，野生型小鼠来源的外泌体显着增加了感染S. aureus野生型小鼠的生存率，表明外泌体同样能够在体内条件下中和细菌毒素并抵御病原感染。 综上所述，该研究为深入理解外泌体的功能提供了全新视角，揭示了外泌体在先天免疫反应中的新功能，即抵御病原菌感染，中和膜表面的成孔毒素等毒力因子，且ATG蛋白能够在宿主防御病原感染时，促进外泌体的产生。鉴于胞外囊泡的起源和调控机制并未完全清楚，该研究对理解细胞响应感染并激发防御体产生的过程提供了更为详尽的认知，并为开发新的针对病原菌感染的治疗策略提供了潜在方案。
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