Nature | 揭秘细菌IV型分泌系统及菌毛生成机制

接合是细菌间遗传物质交流的方式之一，在耐药性质粒的传递中发挥尤为重要的作用。在革兰阴性菌中，接合由IV型分泌系统 (type IV secretion system, T4SS) 介导，该系统能够产生性菌毛 (F菌毛)，将物质由供体细菌传递到受体细菌当中1。T4SS由外膜核心复合物 (outer membrane core complex, OMCC)、内膜复合物 (inner membrane complex, IMC)、连接OMCC和IMC的杆状结构 (stalk) 以及环绕stalk的环状复合物 (arches) 共同组成2。此前研究并未获得T4SS的高分辨结构，对于其菌毛生成以及DNA传递的机制也不完全清楚。

2022年6月22日，英国伦敦大学的Gabriel Waksman、华盛顿大学西雅图分校的Qian Cong和来自英国伦敦大学的Kévin Macé，在Nature上共同在线发表题为Cryo-EM structure of a type IV secretion system的科研论文，报道了T4SS 2.8 Å的高分辨率结构，同时结合TrRosetta以及大量的生化实验，提出了T4SS产生接合菌毛的可能机制。

T4SS由VirB1-VirB11以及VirD4共12种蛋白组成，其中VirB1为非必需组分3。在利用R388质粒表达得到的T4SS中，除VirB2、VirB11以及VirD4以外，其他的组分均能在本文的结构中被观察到，不同亚复合物呈现不同的对称性和寡聚状态。

IMC总分子量达1.32 MDa，由6个原体组成，每个原体中均包含1个VirB3、2个VirB4和3个VirB8 N端尾巴 (VirB8tails)，其中，VirB4为AAA+ ATPase，提供系统工作所需的能量。VirB4形成的二聚体在中央形成六聚体结构，VirB3与其中一个VirB4相接触，而VirB8tails与另外一个VirB4相接触。每个原体中，VirB8tailsB和VirB8tailc会形成延伸的螺旋结构，而VirB8tailsA表现为弯折的螺旋。

文章中所报道的stalk和arches均为之前结构生物学研究中未曾揭示过的部分。Stalk呈锥形，位于整个复合物的中心。VirB6五聚体插入内膜中，VirB5位于其基部。对比复合物中VirB5的结构与VirB5单独的结构，发现其N端向外伸展，可能参与和受体细菌之间的相互作用。VirB8周质空间结构域 (VirB8peri) 所形成的三聚体 (MolA-MolC) 进一步聚合为六聚体，构成围绕着stalk的arches部分。OMCC由位于外膜的O-层 (O-layer) 以及其下方周质空间中的I-层 (I-layer) 共同组成，在结构中共可观察到16个VirB10NTD和16个VirB9NTD 。

借助TrRosetta4,5和生化实验，研究者对蛋白互作界面上的氨基酸残基对进行了验证。简言之，以组成stalk的VirB5和VirB6为例，对氨基酸残基对的TrRosetta score进行排序，以最高得分的70%作为筛选阈值，纳入一系列用于后续分析的氨基酸残基对，并通过突变这些氨基酸残基对进行生化水平的验证。

VirB2是形成接合菌毛的主要蛋白成分，但在本文所发表的结构中不可见。结合Patchdock、TrRosetta以及生化分析，作者初步提出了菌毛生成的可能机制：VirB2亚基结合VirB6亚基后，VirB2进入组装位点，而VirB6上空缺的结合位点可以进一步募集和结合VirB2并用于后续组装 (图4)。此外，作者发现，整个复合物中央不存在通道状的结构，提示本文所得到的T4SS可能无法进行物质传递，而仅处于菌毛生成阶段。

鉴于T4SS在细菌耐药性传递过程中的重要作用，本文的结构或许能够为研发新的临床药物，抑制耐药性的传递，提供潜在的靶点。

转自：水木未来资讯

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