结核分枝杆菌MazF-mt11毒素特异性切割16S rRNA反SD序列的分子机制及其在蛋白质合成抑制中的作用

研究人员针对结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis, Mtb)中大量存在但功能未知的II型毒素-抗毒素系统(type II TA systems)开展研究，重点解析了第11个MazF家族毒素MazF-mt11的RNA切割特性。通过MORE RNA-seq和5'-OH RNA-seq技术，发现该毒素特异性识别C↓ACCU序列并唯一靶向16S rRNA 3'端，切除包含反Shine-Dalgarno(aSD)的11个核苷酸，导致蛋白质合成近乎完全抑制。该研究首次揭示MazF-mt11通过破坏核糖体-mRNA配对机制诱导生长停滞，为理解Mtb潜伏感染提供了新视角。

　　

在人类与结核病的漫长斗争中，结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis, Mtb)展现出了惊人的生存智慧。这种古老病原体最令人费解的特征之一，是其基因组编码了异常丰富的II型毒素-抗毒素系统(type II toxin-antitoxin systems, TA systems)——高达70个，其中MazEF家族就占10个。这些系统被认为在细菌应对抗生素压力和宿主免疫攻击时发挥关键作用，但绝大多数MazF毒素的精确作用靶点和分子机制仍笼罩在迷雾中。更令人担忧的是，全球约四分之一人口携带Mtb，其中5%会在两年内发展为活动性结核病。随着COVID-19大流行对结核病防控体系的冲击，结核病重新成为单一传染源致死人数最多的疾病，每年夺走125万生命。在这一背景下，破解Mtb的生存策略显得尤为迫切。

美国罗格斯大学的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表的研究，将目光投向了Mtb基因组中一个此前未被充分认识的MazF家族成员——Rv3098A基因编码的MazF-mt11。研究人员首先通过系统发育分析确认这是第11个MazF同源物，随后运用重组蛋白表达、噬菌体MS2 RNA底物切割实验、MORE RNA-seq和5'-OH RNA-seq等高通量技术，结合分枝杆菌遗传操作系统和蛋白质合成检测，逐步揭开了这个神秘毒素的面纱。

研究团队首先通过生物信息学分析确认MazF-mt11与已知MazF毒素的相似性。系统发育树显示其与大肠杆菌MazF和PemK关系最近，氨基酸序列相似性达17-23%。结构预测表明，尽管与PemK结构相似，但其上游预测的抗毒素与大肠杆菌MazE更为相似(29%相同性)，因此将其归类为MazEF家族新成员，命名为MazEF-mt11。

为探究MazF-mt11的生物学效应，研究人员分别在E. coli和M. smegmatis中诱导表达该毒素。结果显示，毒素表达3小时后E. coli生长开始减缓，而在M. smegmatis中生长停滞更为显著——诱导1.5小时后即出现生长阻滞并持续10小时。这种生长抑制模式与其他Mtb MazF毒素相似，提示其可能参与建立非复制持续状态。

确定毒素的RNA识别序列是理解其作用机制的关键。研究人员采用MS2噬菌体RNA底物进行体外切割实验，通过引物延伸鉴定出单一切割位点C↓A。随后发展的MORE RNA-seq技术揭示了更精确的5碱基识别序列C↓ACCU，该序列在E. coli中仅出现167次，解释了为何常见管家基因(如ompA、rpsA、tufA)不受影响。

真正的突破来自在M. smegmatis中进行的5'-OH RNA-seq分析。令人惊讶的是，尽管在E. coli中MazF-mt11能切割众多转录本，但在其天然宿主分枝杆菌中仅识别一个靶点——16S rRNA 3'端。切割位点位于16S rRNA末端11个核苷酸之前，恰好移除了关键的CCUCCU反Shine-Dalgarno(aSD)序列。这一发现通过代谢标记实验得到功能验证：诱导表达6小时后新生蛋白质合成降至对照的19%，24小时后仅剩5%，与生长停滞表型完美吻合。

这项研究的意义在于首次阐明MazF-mt11通过精确"外科手术式"切除16S rRNA的aSD序列来关闭蛋白质合成。在细菌翻译起始中，aSD序列与mRNA的Shine-Dalgarno(SD)序列配对对引导核糖体识别起始密码子至关重要。Mtb中约25%的转录本是缺乏SD序列的leaderless mRNA，但研究显示aSD缺失仍导致近乎完全的翻译抑制，这可能通过两种机制实现：一是leaderless mRNA翻译仍需要完整16S rRNA 3'端；二是未被切割的核糖体数量不足以维持基本蛋白质合成。

特别值得注意的是，与靶向tRNA^LysUUU
的MazF-mt9不同，MazF-mt11表现出非凡的靶标特异性——在M. smegmatis和Mtb中仅切割16S rRNA。这种精确打击策略与Mtb在恶劣环境中保存能量的需求高度契合。鉴于TA系统在细菌应激反应中的核心地位，MazF-mt11可能参与建立或维持潜伏感染状态，这一发现为开发针对持续性结核感染的新疗法提供了潜在靶点。

从更广阔的视角看，该研究不仅完善了我们对Mtb复杂TA系统的认知，还揭示了一种前所未有的翻译调控机制。传统抗生素如链霉素靶向16S rRNA解码中心，而MazF-mt11则选择性地攻击aSD区域，这种独特作用模式为设计新型核糖体抑制剂开辟了新思路。未来研究将聚焦于阐明MazF-mt11在Mtb感染过程中的激活条件和生理功能，以及其与其它MazF毒素的协同网络，这些探索有望为对抗这个古老病原体提供全新武器。