北京大学、中国医学科学院Cell报道一种细菌可收缩注射系统的精细结构

【字体: 时间:2019年03月26日 来源:北京大学

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北京大学高宁团队和中国医学科学院病原生物学研究所金奇团队共同在Cell杂志发表题为《Cryo-EM Structure and Assembly of an Extracellular Contractile Injection System》的研究论文,利用冷冻电镜技术完整地解析了细菌中广泛存在的一类可收缩注射系统(Contractile Injection Systems, CISs)的高分辨率结构,并构建了其组装模型。

细菌CIS是一类非常重要的细胞穿刺纳米装置,可以将细菌的核酸和蛋白质等效应因子转移到其它细胞中,介导细胞间的相互作用,在细菌自身防御和致病性中扮演了十分重要的角色。细菌CIS与我们熟悉的T4噬菌体的可收缩尾部有着高度的相似性:可收缩的外筒(Sheath)利用基板复合物(Baseplate)形成着力点,通过收缩旋转动作将携带效应因子的刚性内筒(Tube)穿刺进入受体细胞。

根据工作机制的差异,细菌CIS可以大致分为两大类型,一类是研究较多的以VI型分泌系统(T6SS)为代表的锚定在细胞膜上的CIS,另一类是细胞外CIS(extracellular CIS,eCIS)。T6SS位于革兰氏阴性菌的胞内,以自身细胞膜为锚定点将效应因子注射进入受体细胞。

eCIS组装完成后分泌到胞外(或者通过细胞自身裂解释放),以受体细胞为锚定点进行细胞攻击,包括R-type pyocins,以及一种细胞变态相关的可收缩结构(metamorphosis-associated contractile structures,MACs)等。eCIS的结构和工作机制有待深入的研究。

来自发光杆菌的Photorhabdusvirulence cassette(PVC)代表一类大量存在于细菌和古细菌中的细胞外eCIS。封装好的PVC分泌到胞外后,可以将携带的效应因子注射进昆虫细胞中,诱导肌动蛋白的凝结。作为一种可以特异靶向真核细胞的eCIS,PVC的结构及工作机制都不清楚。

PVC颗粒本身较大,可以组装为不同长度的颗粒,优势长度约为117纳米,直径为28纳米。PVC颗粒可以完美展示冷冻电镜技术在复杂样品的结构解析方面的优势:首先其尺寸巨大,具有不同长度且处于不同功能状态;其次各部分的对称性并不匹配,从针尖到内外筒部分,对称性从C1、C3变化到C6。

最新研究通过局部重构的方式获得了PVC各部分的精细结构,包括预收缩状态的基板复合物(C6对称,3.5 Å)、固定内外筒的帽子结构(C6对称,3.8 Å)、内外筒复合物(螺旋对称,2.9 Å)以及收缩状态的外筒结构(螺旋对称,3.7 Å),并进一步重构了优势长度PVC装置的中等分辨率的整体结构(6.2 Å)。结构分析发现,这个大小超过10 MDa的装置类似于一个简化的T4噬菌体尾部结构,多数组成元件与T4尾部具有基因同源性,并进行了简化和基因融合。

另一个重要发现是,末端的帽子结构与内管的最顶层对接,并用六个伸展臂与外筒结合,从而将内外筒一起锁定在预收缩状态。此外,该工作利用生化检测及负染电镜对各个亚基缺失的PVC装置的组装情况进行观察,以此提出了PVC的组装模型。

该工作提供的大量丰富结构信息对该类eCIS的作用机制研究提供了一个框架。eCIS因为其发挥功能时位于胞外,并且相比于其它的分泌系统组成成分简单,具有潜在的应用前景,结构的阐释为进一步将这类纳米装置用作生物医学应用中的传递工具奠定了基础。      

高宁教授和金奇教授为本文的通讯作者。病原所江峰副研究员、北京大学李宁宁副研究员以及金奇组助理研究员王霞、高宁组博士生程稼萱为本文的共同第一作者。北京大学生命科学学院王忆平教授及其团队也参与了部分工作。本工作获得了科技部、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、中国科协青年托举人才工程、中国医学科学院医学与健康科技创新工程及北京大学生命联合中心的经费支持。冷冻电镜数据采集得到了凤凰工程清华平台的支持,负染电镜分析得到了北京大学生命科学学院仪器中心的支持,结构计算得到了北京大学计算中心高性能平台的支持。


原文标题:

Cryo-EM Structure and Assembly of an Extracellular Contractile Injection System

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30202-8



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