Nature：德国科学家生成发冷光杆菌的Tc毒性复合物精细图像

马克斯普朗克分子生理学研究所与弗莱堡大学的研究人员借助X射线晶体学和电子冷冻显微镜，生成发冷光杆菌的Tc毒性复合物精细图像。研究揭示Tc毒性复合物穿透细胞膜的机制。相关文章发表于2014年2月23日的《Nature》杂志上。


Tc毒性复合物

细菌开发了许多不同的途经将它们的毒性货物转运到细胞内。像瘟疫病原体鼠疫耶尔森氏杆菌(Yersinia pestis)的和昆虫病原体发冷光杆菌(Photorhabdus luminescens)一类的细菌所利用的Tc毒素复合物尤其不同寻常。

发冷光杆菌与线虫共生共存。这些细菌寄生在线虫的肠道中静待攻击一种昆虫——此时细菌发挥作用，释放Tc毒性复合物快速地杀死昆虫。在转向下一个受害者之前，线虫和细菌共同生活在昆虫的尸体中。

来自马克斯普朗克分子生理学研究所的Stefan RaunserStefan Raunser说：“在此之前我们并不了解Tc复合物的结构。我们所知道的是一个大概的轮廓。现在我们获得了一些图像，这使得我们甚至能够区分单个的原子!”借助X射线晶体学和电子冷冻显微镜，研究人员生成了详细的图像。

Tc复合物是由三个亚单位TcA、TcB和TcC构成。TcA形成了穿透细胞膜的通道，像注射器一样将一些毒性酶投入到细胞中。以往并不清楚这一过程的能量来自何处。

Raunser说：“TcA有一条由48个氨基酸构成的蛋白质链，它像松紧带或弹簧一样被拉长。如果松紧带或弹簧收缩，就会释放能量推动这一通道通过细胞膜。这一机制将Tc复合物与其他所有已知的、如白喉和炭疽杆菌的成孔注射蛋白区分开来。

此外，TcA亚单位负责将这一复合体结合到宿主细胞上;为此，它利用了20个受体结合结构域。“我们认为4个这样的结构域往往围绕一个受体，从而提高了结合的强度，”Raunser说。

这些受体结合结构域很容易被其他的结构域移除或取代。“这意味着可将Tc复合物引导到特定的细胞，例如机体中的癌细胞或其他细胞。”一旦到达这些细胞，Tc复合物可将一些具有良好疗效的分子注入到细胞中。昆虫致病Tc复合物也可作为杀虫剂用于农业生产中。

原文摘要：

Mechanism of Tc toxin action revealed in molecular detail

Dominic Meusch, Christos Gatsogiannis, Rouslan G. Efremov, Alexander E. Lang, Oliver Hofnagel, Ingrid R. Vetter, Klaus Aktories & Stefan Raunser

Tripartite Tc toxin complexes of bacterial pathogens perforate the host membrane and translocate toxic enzymes into the host cell, including in humans. The underlying mechanism is complex but poorly understood. Here we report the first, to our knowledge, high-resolution structures of a TcA subunit in its prepore and pore state and of a complete 1.7 megadalton Tc complex. The structures reveal that, in addition to a translocation channel, TcA forms four receptor-binding sites and a neuraminidase-like region, which are important for its host specificity. pH-induced opening of the shell releases an entropic spring that drives the injection of the TcA channel into the membrane. Binding of TcB/TcC to TcA opens a gate formed by a six-bladed β-propeller and results in a continuous protein translocation channel, whose architecture and properties suggest a novel mode of protein unfolding and translocation. Our results allow us to understand key steps of infections involving Tc toxins at the molecular level.

 

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