Nature：三个研究组合作，找到劫持了细胞管道的神秘微生物蛋白家族

　　在《自然》杂志上发表的一项新研究中，杜克大学的研究人员揭示了一类细菌蛋白质，它们折叠成稻草状，并将自己插入植物细胞膜中，从而使叶子内部被水浸透。研究人员还发现了一种可能的方法来阻断水通道蛋白并防止感染。

　　

许多破坏农作物、威胁我们食物供应的细菌都使用一种共同的策略来致病：它们将有害蛋白质的混合物直接注入植物细胞。

25年来，生物学家Sheng-Yang He 和他的同事Kinya Nomura一直在研究这组分子，植物病原体利用这些分子在全世界数百种作物中引起疾病，包括从水稻到苹果树。

现在，由于三个合作研究小组的共同努力，他们最终找到了这些分子是如何使植物生病的答案，并找到了一种解除它们的方法。

研究结果发表在9月13日的《自然》杂志上。

He实验室的研究人员研究了这种致命鸡尾酒的关键成分，这是一种名为AvrE/DspE的注射蛋白家族，它们会导致从豆类褐斑病、番茄细菌性斑点病到果树火疫病等各种病害。

这个蛋白质家族自从20世纪90年代初被发现以来，就引起了那些研究植物疾病的人的极大兴趣。它们是细菌武器库中的关键武器，在实验室中将它们敲除，就可以使原本危险的细菌变得无害。但是，尽管经过了几十年的努力，关于它们如何工作的许多问题仍然没有答案。

研究人员已经确定了AvrE/DspE家族中的一些蛋白质，这些蛋白质抑制了植物的免疫系统，或者在植物的叶子上引起深色的水浸斑点——这是感染的第一个迹象。他们甚至知道组成蛋白质的氨基酸的基本序列——就像绳子上的串珠一样。但他们不知道这串氨基酸是如何折叠成三维形状的，所以不能解释它们是如何工作的。

部分原因是这个家族的蛋白质很大。而一般细菌蛋白质的平均长度只有300个氨基酸，而AvrE/ spe家族蛋白却有2000个氨基酸。

研究人员一直在寻找具有类似序列的其他蛋白质的线索，但没有发现任何已知功能的蛋白质。

“它们是奇怪的蛋白质，”他说。

因此，他们转向了2021年发布的一个名为AlphaFold2的计算机程序，该程序使用人工智能来预测给定氨基酸串的3D形状。

研究人员知道，这个家族的一些成员帮助细菌逃避植物的免疫系统。但他们第一次看到这种蛋白质的三维结构时，就发现了它的另一个作用。

“当我们第一次看到这个模型时，它和我们想象的完全不同，”杜克大学生物化学教授Pei Zhou说。

研究人员研究了AI对感染梨、苹果、西红柿和玉米等作物的细菌蛋白质的预测，它们都指向了类似的3D结构。它们似乎折叠成一个小蘑菇，有一个圆柱形的茎，像一根稻草。

预测的形状与用冷冻电子显微镜捕获的导致果树火疫病 (Fire blight) 的细菌蛋白质的图像吻合得很好。从上往下看，这种蛋白质看起来很像一个中空的管子。

他说，这让研究人员想到：也许细菌利用这些蛋白质在植物细胞膜上打一个洞，在感染期间“迫使宿主喝水”。

一旦细菌进入叶片，它们首先遇到的区域之一是细胞之间的空间，称为质外体（apoplast）。通常情况下，植物保持这一区域干燥，使光合作用的气体交换成为可能。但当细菌入侵时，叶子内部就会被水浸透，为它们提供了一个潮湿舒适的避风港，供它们觅食和繁殖。

对预测的火疫病蛋白3D模型的进一步检查显示，虽然稻草状结构的外部是防水的，但其中空的内核对水具有特殊的亲和力。

为了验证水通道假说，研究小组与杜克大学生物学教授Ke Dong和她实验室的博士后Felipe Andreazza合作。他们将细菌蛋白AvrE和DspE的基因读数添加到青蛙卵中，将蛙卵用作制造蛋白质的细胞工厂。蛙卵被放入稀释的盐水溶液中，由于水过多，蛙卵迅速膨胀并破裂。

研究人员还试图通过阻断这些细菌蛋白质的通道来解除它们的武装。他们专注于一类叫做PAMAM树状大分子的微小球形纳米颗粒。这些树状大分子在药物输送领域已经使用了20多年，它们可以在实验室中制造出直径精确的颗粒。

他说:“我们一直在修补假设，如果我们找到合适直径的化学物质，也许我们可以堵塞毛孔。”

在测试了不同大小的颗粒后，他们确定了一种他们认为可能恰好适合干扰由火疫病病原体淀粉欧文氏菌产生的水道蛋白的颗粒。

他们将合成这种蛋白质的青蛙卵浸泡在PAMAM纳米颗粒中，水就不再流入卵中了。它们没有膨胀。

他们还处理了感染了引起细菌斑点的丁香假单胞菌的拟南芥。通道阻断纳米颗粒阻止了细菌的控制，将植物叶片中的病原体浓度降低了100倍。

这些化合物对其他细菌感染也有效。研究人员对暴露于导致火疫病的细菌的梨果实做了同样的事情，果树从未出现症状——细菌没有使它们生病。

“这是一个很渺茫的机会，但它成功了，我们对此感到兴奋。”

研究人员说，这一发现可能为对抗许多植物疾病提供一条新的途径。

我们吃的食物有80%是植物生产的。然而，每年有超过10%的全球粮食产量——小麦、水稻、玉米、土豆和大豆等作物——因植物病原体和害虫而损失，给全球经济造成了高达2200亿美元的损失。

该团队已经为这种方法申请了临时专利。

第一作者之一 Jie Cheng说，下一步是通过更详细地观察通道阻断纳米颗粒和通道蛋白如何相互作用，来弄清楚这种保护是如何起作用的。

“如果我们能对这些结构进行成像，我们就能更好地理解并提出更好的作物保护设计”。

文章标题

Bacterial Pathogens Deliver Water/Solute-Permeable Channels as a Virulence Strategy