牙龈卟啉单胞菌IX型分泌系统PorKN齿轮结构解析揭示蛋白质分泌与表面附着的协同机制

本研究针对牙周炎关键病原体牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)的IX型分泌系统(T9SS)展开，通过冷冻电镜技术首次解析了PorK-PorN环形复合体3.5?高分辨率结构，发现其独特的齿轮状构象。研究证实PorG外膜蛋白通过关键二硫键与PorK结合，并揭示附着复合体(Attachment Complexes)在PorKN环上方的空间定位，提出了T9SS通过旋转齿轮结构协同完成蛋白质分泌与表面锚定的新机制。该成果发表于《Nature Communications》，为开发针对牙周病原体分泌系统的抗菌策略提供结构基础。

　　

牙周炎作为全球最常见的慢性炎症性疾病之一，其发生发展与牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)的致病性密切相关。这种被称为"关键病原体"的厌氧菌通过IX型分泌系统(Type IX Secretion System, T9SS)向细胞表面输送至少35种毒力因子，包括著名的牙龈蛋白酶(RgpA, RgpB和Kgp)。这些分泌蛋白不仅参与生物膜形成、营养获取等生理过程，更与糖尿病、心血管疾病等全身性疾病存在关联。然而，T9SS如何跨越细菌外膜完成蛋白质分泌，以及分泌后如何实现细胞表面锚定的分子机制，始终是微生物学领域未解的谜题。

为揭示这一关键科学问题，由Dhana G. Gorasia、Eric Hanssen等国际研究团队在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。研究采用冷冻电镜单颗粒分析技术，结合基因敲除、免疫共沉淀、免疫金标记冷冻电子断层扫描等多学科方法，系统解析了T9SS核心组件PorK-PorN环形复合体的精细结构及其功能机制。样本来源于P. gingivalis W50野生型及其基因工程菌株，通过优化缓冲条件（添加1M尿素）成功克服了蛋白聚集难题。

研究结果部分，《高分辨率PorKN环结构》显示：冷冻电镜解析的PorKN复合体呈现32-33重对称性，直径约50nm的双环结构。PorK构成平坦的上环面，其特异性插入区域(Arg¹⁰⁴-Cys²⁶⁰)形成三趾爪状负电荷外缘；PorN则形成独特的齿轮状突起，α螺旋(Thr²⁷¹-Arg²⁹⁰)垂直伸向外膜方向。质谱分析发现PorK和PorN存在5个糖基化位点，均修饰有7糖基团的O-糖链。

《PorG是T9SS的关键组分》部分证实：porG基因缺失导致细菌丧失黑色素沉积、牙龈蛋白酶分泌能力及电子致密表面层(EDSL)。通过构建porG回补菌株和Cys²³²突变体，发现PorG与PorK通过保守的二硫键(Cys²³²-Cys³⁵⁶)连接，该键对T9SS功能具有决定性作用。密度计量分析显示每个PorKN环结合6-7个PorG分子。

《附着复合体与PorKN环的关联》部分揭示：通过PorZ抗体免疫共沉淀结合质谱定量，发现PorQ、PorU、PorV、PorZ组成的附着复合体与PorKN环存在特异性结合。免疫金标记冷冻电子断层扫描显示，在porV突变体中，金颗粒标记的附着复合体成簇分布在PorKN环正上方，平均每个细胞可见4个簇团。

讨论部分指出，该研究首次提出"旋转齿轮"模型：PorLM分子马达驱动PorN齿轮旋转，通过二硫键连接的PorG带动整个复合体转动。当Sov-PorV-底物复合体经过时，PorG机械性解离PorV，同时将分泌蛋白推过Sov侧向通道。旋转中的附着复合体随即完成C端结构域(CTD)剪切和阴离子脂多糖(A-LPS)锚定，实现分泌与附着的协同完成。这一发现不仅解释了T9SS的能量传递机制，更为理解Bacteroidota门细菌的致病机制提供了结构框架，对开发针对牙周病原体的新型抗菌药物具有重要指导意义。