H-菌毛的冷冻电镜结构揭示TrhA菌毛蛋白的环化特性及其在抗生素耐药性传播中的关键作用

本研究通过冷冻电镜技术解析了IncHI1质粒R27编码的H-菌毛（H-pilus）2.2?高分辨率结构，首次证实其亚基TrhA通过Gly1-Asp69肽键形成环化结构。该发现揭示了细菌接合转移（conjugation）中菌毛稳定性的分子基础，为理解抗生素耐药基因（如NDM-1）通过MPFF型接合系统（T4SS）在环境温度（25-30°C）下的高效传播机制提供了结构依据。研究通过质谱和突变实验证实环化对菌毛组装和质粒转移效率的关键作用，为开发阻断耐药性传播的新型抑制剂提供了靶点。

　　

细菌耐药性传播的分子密码：H-菌毛的环化革命

冷冻电镜揭秘接合菌毛新范式
通过突破性的冷冻电镜技术，研究团队成功解析了IncHI1质粒R27编码的H-菌毛2.2?分辨率结构。这种直径约90?的中空管状结构由TrhA菌毛蛋白亚基以1:1比例与磷脂分子（PG32:1）组装而成，呈现出独特的右手螺旋五聚体构象（轴向上升12.14?，扭转角28.98°）。令人惊讶的是，高分辨率密度图清晰显示TrhA的N端Gly1与C端Asp69通过肽键共价连接形成环状结构，同时C端最后五个残基（AGIPD₇₄）被特异性切除。质谱分析证实成熟TrhA分子量（7124.5Da）与理论环化结构完全吻合，这一发现颠覆了此前对T-菌毛环化争议的认知。

环化机制：耐药传播的温度适应开关
基因敲除实验表明，删除TrhA的67-74位残基会完全破坏菌毛组装和质粒接合转移效率。这种环化可能由质粒编码的TrhF（TraF同源信号肽酶）介导，通过水解C端后引发分子内缩合反应。值得注意的是，IncH质粒的接合效率在22-30°C环境温度下达到峰值，而在37°C人体温度时显著降低。环化结构可能赋予H-菌毛在自然环境中的超强稳定性，这与其携带NDM-1等耐药基因在土壤和水体中的广泛传播特性高度吻合。

结构比较揭示进化创新
与F/W-菌毛的线性亚基不同，H-菌毛TrhA的环化导致其α3螺旋呈现独特的中等弯曲角度（介于pED208的直螺旋和T-菌毛的锐角弯曲之间）。这种构象使α1-2环与α3螺旋距离缩短，通过Lys24与环化位点形成额外的氢键网络。比较结构分析显示，尽管MPFF型接合系统（IncF/IncH）共享TraN介导的接合配对稳定（MPS）机制，但IncH TraN长度增加50%可能与环化菌毛的独特功能相关。

生态医学双重意义
作为临床重要革兰阴性菌（如伤寒沙门菌、肺炎克雷伯菌）耐药基因的传播载体，IncH质粒通过环化菌毛实现了环境适应性与传播效率的完美平衡。该发现不仅解释了NDM-1等超级耐药基因的扩散机制，更为开发针对菌毛环化过程的抑制剂提供了精确靶点。未来研究可探索TrhF酶的特异性抑制策略，或利用环化界面设计阻断肽，为遏制全球抗生素耐药危机开辟新途径。