在厚壁菌门（Firmicutes）的自然转化过程中，一种由三种蛋白质组成的复合体促进了DNA的转运

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：A tripartite protein complex promotes DNA transport during natural transformation in Firmicutes

自然遗传转换中，跨膜蛋白ComEC与ComFA、ComFC形成的复合体通过AlphaFold3结构建模被揭示。研究显示该三聚体在单细胞菌（如肺炎链球菌）和双细胞菌（如幽门螺杆菌）中均保守，ComEC形成狭窄通道介导单链DNA（ssDNA）跨膜运输，关键互作残基经突变验证后证实其功能。ComFC的带电沟槽引导ssDNA进入细胞，ComFA的ATP酶活性驱动DNA通过通道，三蛋白协同确保高效转化。该成果为理解细菌水平基因转移机制提供了新模型。

　　自然遗传转化是细菌中一种重要的水平基因转移机制，它在许多细菌中得到了保守的发挥。这一过程涉及细菌对外源DNA的捕获、单链DNA（ssDNA）的内化以及通过同源重组将其整合到细菌染色体中。与其它水平基因转移方式不同，自然遗传转化完全由受体细胞控制，这使得它在细菌适应环境和传播抗生素耐药性方面具有重要作用。转化通常发生在一种称为“转化态”的生理状态下，此时编码转化相关蛋白的基因被激活。尽管不同细菌种类中转化的调控机制存在差异，但转化的关键步骤和一些核心蛋白在各类转化可进行的细菌中是高度保守的。

在转化过程中，ssDNA的内化是关键步骤之一，而这一过程主要由ComEC蛋白负责。ComEC是一种跨膜蛋白，被认为是ssDNA通过细胞膜的通道。然而，由于ComEC的疏水性质、其大小和膜结合特性，对其进行生化和结构研究一直存在挑战。此外，ComEC在转化态中表达水平较低，且容易被膜结合的丝氨酸蛋白酶HtrA降解，这进一步增加了实验研究的难度。因此，对于ComEC在转化中的具体作用机制，目前仍缺乏深入理解。

为了克服这些挑战，本研究利用了最新的结构建模技术AlphaFold3，结合实验验证，揭示了ComEC及其相互作用蛋白ComFA和ComFC在ssDNA内化中的关键作用。研究发现，ComEC、ComFA和ComFC在肺炎链球菌中形成了一个三聚体蛋白复合物，这一结构模型不仅在肺炎链球菌中得到了验证，还在其他九种 Firmicutes（厚壁菌门）细菌中观察到相似的三聚体结构。这一发现表明，这种三聚体复合物可能是Firmicutes中ssDNA内化的保守机制。

进一步的实验研究表明，ComEC与ComFA和ComFC之间的相互作用对于转化效率至关重要。通过定点突变和转化实验，研究人员确认了ComEC上几个关键残基的重要性，包括位于OB折叠域的Y116和Y157，以及位于跨膜通道中的R292和K297。这些残基的突变显著降低了转化效率，说明它们在ssDNA的运输过程中发挥着重要作用。此外，研究还发现，ComEC与ComFC之间的相互作用是转化过程中不可或缺的一环，其关键残基F16和D457在不同Firmicutes物种中均具有高度保守性。通过替换这些残基为相反电荷的氨基酸，研究人员发现转化效率显著下降，但当这些残基同时被替换时，转化效率恢复了一部分，这进一步支持了它们在复合物中的关键作用。

在Helicobacter pylori中，ComEC同样被认为是ssDNA内化的关键蛋白。尽管该菌的ComEC蛋白不包含β-内酰胺酶域，但其OB折叠域和跨膜结构在功能上与肺炎链球菌的ComEC具有相似性。通过类似的突变实验，研究人员发现Helicobacter pylori的ComEC中关键的Y60、Y82和R239残基对转化效率具有显著影响，且这些残基的突变在该菌中同样导致了转化效率的大幅下降。

此外，研究还揭示了ComFC在ssDNA内化中的重要作用。ComFC被认为在转化过程中形成了一个正电荷的沟槽，用于引导ssDNA进入细胞。通过突变这一沟槽中的关键残基K83和R156，研究人员发现这些突变显著降低了转化效率，表明它们在引导ssDNA进入细胞中起到了重要作用。进一步的实验还显示，ComFA与ComFC之间的相互作用对于维持三聚体复合物的结构和功能同样重要，而这种相互作用在不同的Firmicutes物种中表现出高度的保守性。

研究还发现，尽管ComEC在不同细菌中可能具有不同的辅助域（如OB折叠域和β-内酰胺酶域），但其作为跨膜通道的核心结构是高度保守的。这种结构在不同种类的细菌中保持一致，确保了ssDNA能够顺利通过膜进入细胞。同时，通过结构对齐和进化保守性分析，研究人员进一步验证了这种跨膜通道结构在Firmicutes中的普遍性。

本研究不仅揭示了自然遗传转化中关键蛋白之间的相互作用机制，还展示了AlphaFold3在结构建模中的强大作用。通过AlphaFold3，研究人员能够预测蛋白质之间的相互作用和关键残基，这些预测结果随后通过实验验证。这种结合结构建模和实验验证的方法为研究复杂的生物分子相互作用提供了新的思路，同时也为理解自然遗传转化的分子机制提供了重要的数据支持。

总的来说，这项研究为理解细菌如何通过自然遗传转化机制获取新的遗传特性提供了重要的见解。通过揭示ComEC、ComFA和ComFC在这一过程中的关键作用，研究人员不仅明确了这些蛋白在ssDNA内化中的功能，还展示了它们在Firmicutes中的保守性。这些发现对于进一步研究细菌的适应性和抗生素耐药性的传播具有重要意义，同时也为未来利用结构建模技术进行相关研究奠定了基础。