结核分枝杆菌利用快速演化的内在无序蛋白区域与宿主互作的新机制

《Genome Biology》：Mycobacterium tuberculosis uses intrinsically disordered, fast evolving proteins to interact with conserved host factors

本研究针对结核分枝杆菌(Mtb)蛋白组中内在无序区域(IDR)的功能和演化特征展开系统分析。研究人员通过整合多组学数据发现IDR富集于细菌毒力因子和宿主互作蛋白，并通过演化分析揭示IDR区域呈现快速演化特征且是人类蛋白互作的关键界面。该研究为理解病原体-宿主共演化提供了新视角。

　　

结核病作为全球重大公共卫生问题，其致病菌结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis, Mtb)与人类的共生关系可追溯至七万年前。这种专性寄生病原体通过建立潜伏感染和再激活的独特策略在人群中持续传播，其成功定殖依赖于大量与宿主免疫系统相互作用的效应蛋白。然而，传统研究多聚焦于结构明确的毒力因子，而对蛋白组中广泛存在的内在无序区域(intrinsically disordered regions, IDR)在宿主-病原体互作中的功能认知仍存在空白。

为系统解析Mtb蛋白组中IDR的分布特征和生物学意义，Pozzoli团队在《Genome Biology》发表了最新研究成果。研究人员首先对三种IDR预测工具(Metapredict V2、AlphaFold2和SPOT-Disorder)进行性能评估，发现基于AlphaFold2 pLDDT(预测局部距离差异测试)分数的预测方法在实验验证中表现最优。通过分析3995个Mtb H37Rv菌株蛋白，研究团队发现28.4%的蛋白含有至少一个IDR，且这些区域在非必需蛋白中的比例显著高于必需蛋白。

关键技术方法包括：基于AlphaFold2数据库的pLDDT分数分析鉴定IDR；利用10,209个Mtb基因组数据计算非同义/同义替换率(dN/dS)；通过人类蛋白图谱(Human Protein Atlas)和GTEx数据库分析基因表达；结合STRING数据库和实验验证数据构建蛋白互作网络；使用CALVADOS粗粒度力场模拟IDR构象集合。

研究结果揭示：

IDR在分泌/膜蛋白中富集并与宿主互作

通过基因本体(Gene Ontology, GO)分析发现，IDR显著富集于参与脂质转运、免疫应答调节和激酶活性的Mtb蛋白中。与人类蛋白直接互作的70个Mtb蛋白显示出更高的IDR比例，表明这些区域在宿主-病原体界面中发挥关键作用。

IDR在Mtb蛋白组中快速演化

密码子水平演化分析显示，IDR区域的dN/dS值显著高于折叠区域，且正选择位点比例更高。对正选择信号最强的20个IDR分析发现，它们主要位于参与营养感应、药物耐受和免疫调节的蛋白中，如whiB6、sugl等。

Mtb IDR抗原性较低

对692个来自活动性结核(ATB)和潜伏感染(LTB)的CD4⁺ T细胞表位分析表明，表位在IDR中的分布显著低于折叠区域。与既往认知不同，表位序列并未呈现超保守特征，而是具有相对较高的演化速率。

Mtb IDR的序列-构象-功能关系

通过支持向量回归(SVR)模型计算构象熵(S_conf/N)和弗洛里标度指数(v)发现，Mtb IDR相较于人类IDR具有更高的构象熵和更伸展的构象。紧凑型IDR(v值较低)富集于抵抗宿主免疫应答的蛋白，而伸展型IDR(v值较高)多见于核糖体蛋白和细胞壁组装相关蛋白。

人类互作蛋白演化保守且高度连接

与Mtb蛋白直接互作的238个人类蛋白表现出较低的演化速率、较高的表达水平和网络连接度，且更多为必需基因。这一模式与传统"军备竞赛"范式相悖，提示Mtb可能通过靶向宿主核心蛋白网络来限制宿主的反演化能力。

跨物种比较揭示IDR多样性

对540种人类感染细菌的分析显示，IDR比例存在显著种间差异(2.4%-35.5%)，且与分类群相关。放线菌门(Actinomycetota)和螺旋体门(Spirochaetota)细菌具有较高的IDR含量，而Mtb(IDR比例7.8%)处于整体分布的71百分位数。

该研究通过多维度分析揭示了IDR在Mtb宿主适应中的重要作用：一方面，快速演化的IDR使病原体能够动态调整与宿主的互作；另一方面，通过靶向宿主核心蛋白，Mtb限制了宿主的反演化潜力。研究建立的细菌IDR数据库为后续功能研究提供了宝贵资源，也为理解病原体演化策略提供了新视角。值得注意的是，与传统认知不同，Mtb与宿主的互作更符合"分子特洛伊木马"策略而非典型的军备竞赛模式，这一发现对理解宿主-病原体共演化具有重要启示。