生命學(xué)院李雪明研究組合作發(fā)文揭示細(xì)菌II型分泌系統(tǒng)外膜復(fù)合物的分泌機(jī)制

清華新聞網(wǎng)1月11日電 1月9日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李雪明課題組在《自然結(jié)構(gòu)和分子生物學(xué)》（Nature Structural & Molecular Biology）雜志在線發(fā)表題為《細(xì)菌II型分泌系統(tǒng)的分泌素結(jié)構(gòu)及其工作機(jī)制》（Structural Insights into Secretin Translocation Channel in Type II Secretion System）的研究論文，該工作通過(guò)冷凍電鏡的研究手段首次揭示了細(xì)菌II型分泌系統(tǒng)外膜復(fù)合物GspD分泌素通道的原子分辨率結(jié)構(gòu)以及通道的半開(kāi)放狀態(tài)結(jié)構(gòu)，結(jié)合相應(yīng)的生化實(shí)驗(yàn)，闡述了底物通過(guò)II型分泌系統(tǒng)分泌素的分泌機(jī)理。

革蘭氏陰性菌通過(guò)一系列不同類(lèi)型的分泌系統(tǒng)向胞外或者其他細(xì)胞分泌各種底物，包括離子，小分子（如抗生素），大分子物質(zhì)（如毒性蛋白，脫氧核糖核酸）等，這些分泌出的底物大多都與人類(lèi)健康息息相關(guān)。其中的II型分泌系統(tǒng)（T2SS）分泌的底物主要是折疊好的成熟蛋白質(zhì)，通常是與疾病直接相關(guān)的毒性因子或效應(yīng)蛋白，其中比較熟知的有霍亂毒素、腸毒素，以及外毒素A。T2SS的外膜復(fù)合物分泌素GspD是分泌底物通過(guò)細(xì)菌外膜的最后通道，先前只有N末端幾個(gè)結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)，以及低分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)久以來(lái)，缺乏高分辨率的結(jié)構(gòu)信息來(lái)幫助理解通道的整體構(gòu)造及相應(yīng)的底物分泌機(jī)理。

該工作通過(guò)冷凍電鏡單顆粒重構(gòu)的方法首次解析了全長(zhǎng)分泌素GspD復(fù)合物約3埃分辨率的分子結(jié)構(gòu)，包括大腸桿菌(Escherichia coli)和霍亂弧菌(Vibrio cholerae)來(lái)源的兩種復(fù)合物。這不僅是T2SS外膜復(fù)合物第一個(gè)全長(zhǎng)的原子分辨率結(jié)構(gòu)，也是分泌素家族的第一個(gè)全長(zhǎng)的原子分辨率結(jié)構(gòu)。該工作首次揭示了GspD復(fù)合物具有十五重對(duì)稱性（C15），不同于之前報(bào)道的十二重對(duì)稱(C12)結(jié)構(gòu)模型。該分子結(jié)構(gòu)清晰地展示了蛋白N端結(jié)構(gòu)域形成的環(huán)形通道結(jié)構(gòu)，澄清了之前通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)推測(cè)出來(lái)的不準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)模型。該工作還首次觀察到了一個(gè)由C端結(jié)構(gòu)域形成的新穎的雙層β桶構(gòu)造，其中每層至少有60根反平行的β股(β－strand)構(gòu)成，是目前結(jié)構(gòu)已知的最大β桶構(gòu)造的通道。這一巨大的桶形結(jié)構(gòu)由外表面上結(jié)合的S結(jié)構(gòu)手把手圍繞起來(lái)，發(fā)揮穩(wěn)定雙層β桶的作用。通過(guò)在中心通道的邊緣區(qū)域點(diǎn)突變的方法將非常保守的甘氨酸突變成丙氨酸，使關(guān)閉的分泌素通道轉(zhuǎn)變成到一個(gè)半開(kāi)放的狀態(tài)，通過(guò)進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)和功能分析，本工作闡述了底物通過(guò)分泌素GspD通道的分泌機(jī)理。

圖為分泌素GspD蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)和通道開(kāi)關(guān)的分子機(jī)制。（a）GspD復(fù)合物的電子密度圖和原子模型圖。上半部分為大腸桿菌（Escherichia coli）來(lái)源的GspD，下半部分為霍亂弧菌（Vibrio cholerae）來(lái)源的GspD，右半部分為電子密度圖和原子模型疊加在一起的頂視圖。（b）半開(kāi)放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)與野生型的對(duì)比剖面圖。電子密度圖低通濾波到7埃。（c）基于得到的結(jié)構(gòu)和生化驗(yàn)證提出的通道開(kāi)放分子模型圖。黑色圓圈表示中間門(mén)控起轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵甘氨酸。

清華大學(xué)生命學(xué)院李雪明研究員和浙江大學(xué)的朱永群教授為本工作的共同通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院2014級(jí)直博生嚴(yán)照峰和北京大學(xué)、清華大學(xué)和北京生命科學(xué)研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生項(xiàng)目（PTN項(xiàng)目）2014級(jí)博士生尹孟為本文共同第一作者。浙江大學(xué)博士生徐丹丹也參與了這項(xiàng)研究工作。該工作的冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集在國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）的清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)完成，數(shù)據(jù)處理在國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)完成。該工作獲得了生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接：

http://www.nature.com/nsmb/journal/vaop/ncurrent/full/nsmb.3350.html

供稿：生命學(xué)院  編輯：田心