【医学与健康科技创新工程进展快报  第48期】

病原生物学研究所在《细胞》杂志报道

一类细菌可收缩注射系统的结构和组装研究成果

病原生物学研究所与北京大学生命科学院合作在国际顶级期刊《细胞》（Cell）发表题为《Cryo-EM Structure and Assembly of an Extracellular Contractile Injection System》的研究论文，阐释了一类广泛存在于细菌的可收缩注射系统（Contractile Injection Systems, CISs）的结构和组装机制。

CISs是一类非常重要的细胞穿刺纳米元件，它与噬菌体的可收缩尾部有着高度的相似性。细菌中许多结构如六型分泌系统T6SS及R-type pyocins都属于此类装置，它们被认为在细菌致病性中扮演了十分重要的角色。

来自发光杆菌的photorhabdus virulence cassette（PVC）代表一类大量存在于细菌和古细菌中的细胞外eCIS（extracellular CIS，eCIS）。封装好的PVC分泌到胞外后，可以将携带的效应因子注射进真核细胞中，诱导肌动蛋白的凝结。作为一种可以特异靶向真核细胞的eCIS，PVC的结构及工作机制都不清楚。PVC颗粒较大，可以组装为不同长度的颗粒，优势长度约117纳米，直径28纳米。PVC颗粒可以完美展示冷冻电镜技术在复杂样品的结构解析方面的优势：首先，其尺寸巨大，具有不同长度且处于不同功能状态；其次，各部分的对称性并不匹配，从针尖到内外筒部分，对称性从C1、C3变化到C6。病原生物学研究所金奇课题组与北京大学高宁课题组通力合作，利用合成生物学及冷冻电镜技术，通过局部重构的方式获得了PVC各部分的精细结构，包括预收缩状态的基板复合物（C6对称，3.5 Å）、固定内外筒的帽子结构（C6对称，3.8 Å）、内外筒复合物（螺旋对称，2.9 Å）以及收缩状态的外筒结构（螺旋对称，3.7 Å），并进一步重构了优势长度PVC装置的中等分辨率的整体结构（6.2 Å）。经过分析发现，这个大小超过10MDa的装置类似于一个简化的T4噬菌体尾部结构，多数组成元件与T4尾部具有基因同源性，并进行了简化和基因融合。另一个重要发现是，末端的帽子结构与内管的最顶层对接，并用六个伸展臂与外筒结合，从而将内外筒一起锁定在预收缩状态。此外，该工作利用生化检测及负染电镜对各个亚基缺失的PVC装置的组装情况进行观察，以此提出了PVC的组装模型。该研究获得的大量丰富结构信息对研究该类eCIS的作用机制提供了一个框架。因为eCIS发挥功能时位于胞外，并且比其他分泌系统的组成成分简单，具有潜在应用前景，该结构的阐释为进一步将这类纳米装置用作生物研究或治疗应用中的传递工具奠定了基础。

病原生物学研究所江峰副研究员为论文第一作者，病原生物学研究所金奇研究员和北京大学高宁教授为共同通讯作者。该研究得到了中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2016-I2M-1-013）以及国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30202-8

（病原生物学研究所）