細菌自帶彈簧匕首，從內部刺穿阿米巴蟲

細菌的多管彈簧匕首

翻譯 吳媛媛

校審 阿金

來自蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）和維也納大學（University of Vienna）的科研人員發現了一類細菌，其攜帶的微型匕首狀結構可以防止自身被阿米巴蟲（amoebae）吞噬。科學家也已經解析出了該微型「匕首」的三維結構，知道了這種匕首是如何做到快速穿刺的。

細菌內部一簇可伸縮型匕首。綠色的處於「裝載」狀態，紅色是匕首被彈射出體外後的形態。（圖片源自：Leo Popovich）

細菌不得不小心提防阿米巴蟲。飢餓的阿米巴蟲捕食細菌：它們使用偽足捕獲細菌，然後吸收並消化它們。

有些細菌卻知曉如何防衛這些敵人。維也納大學的研究人員在幾年前發現一類名為嗜阿米巴桿菌（Amoebophilus）的細菌，這種細菌不僅能在阿米巴蟲體內生存，而且可茁壯成長：阿米巴蟲已經成為它最喜愛的棲息地。

在維也納科學家發現該細菌的同時，來自蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的科學家提出一種機制，他們猜想這對於Amoebophilus在阿米巴蟲體內的生存至關重要。這種細菌擁有可將微型的匕首彈射裝置，利用該匕首可以從內部刺穿阿米巴蟲從而避免被其消化。

逃脫阿米巴蟲的消化道

該彈射裝置有一個鞘式外殼，一端通過一個基座和錨定平台附著在細菌內膜上。 蘇黎世聯邦理工學院 Martin Pilhofer 教授的博士生 Jo?o Medeiros 解釋了此裝置原理：「外殼是彈簧加壓的，微型匕首就位於其中。當外殼收縮時，匕首會被彈射出去迅速穿過細菌質膜。」

左圖是彈射裝置頂端的電子射線斷層照片；右圖是綜合幾百張電子射線斷層照片繪製成的三維模式圖。（顯微照片/可視化：蘇黎世聯邦理工學院/ Désirée B?ck）

被阿米巴蟲吞噬的細菌最終在一個由細胞膜包裹的特殊消化隔間內被吸收殆盡。「我們的研究結果顯示，這種細菌能將匕首彈射進阿米巴蟲消化隔間的隔膜」，Pilhofer 團隊的博士生，同時也是發表於 Science 期刊的論文第一作者 Désirée B?ck 說道。這會導致不適宜細菌生長的隔間分解並釋放出菌體。一旦離開了消化隔間，即使仍在阿米巴蟲體內，細菌也能存活甚至大量繁殖。

左圖是阿米巴蟲，細菌正在其消化隔間（吞噬體）內而有細菌已經擺脫出來。右圖是一簇彈簧加壓的匕首。

消化隔間的破壞過程尚不清楚，「可能膜的破裂只是由於機械原因」，Pilhofer說道。然而，可以設想Amoebophilus的匕首上浸著類似某種箭毒——膜的降解酶。細菌的基因組內含有這種酶的模板，正像維也納大學 Matthias Horn 教授和他的同事所展示的一樣。

精雕細鑿

為了確定該匕首及其彈射裝置的高解析度三維結構，科學家們應用了只被世界上少數研究室（包括 Pilhofer 教授在內）使用過的全新方法。

很像古生物學家使用鎚子和鑿子從石頭中將化石敲出來，Medeiros使用的聚焦離子束就像「納米鑿子」一樣在冷凍樣品上工作。由於極高的精密度，他可以碾碎阿米巴蟲和大部分細菌，鑿出分子匕首及其彈射裝置，以便最終獲得三維電子射線斷層照片。

首張完整結構的圖像

生物學其他領域也發現過與微型匕首有關的系統：專門感染細菌（噬菌體）的病毒利用該系統將它們的基因組注射進微生物中。某些細菌甚至可以在生存環境中釋放類似的微型裝置來抵禦微生物。

科學家首次展示了在自然環境中細胞內彈射裝置完整的空間結構。他們還首次展示了底座和膜錨定結構的細節。「過去，細胞生物學家研究這種系統的功能，而結構生物學家則闡述獨立組件的結構，」Pilhofer 說道。「利用冷凍聚焦離子束研磨和蘇黎世聯邦理工學院建立的電子冷凍射線斷層技術，我們現在可以縮小細胞生物學和結構生物學之間的差距。」

多管式的槍

微型匕首之前僅被發現為單個獨立的裝置。然而在Amoebophilus中，來自蘇黎世和維也納的科學家目前發現了該裝置聚集成簇多至30個。「你可以把它們稱之為多管式的槍，」Pilhofer 說道。

研究人員還通過基因組比對來研究Amoebophilus如何進化出這樣的匕首。「相關基因與噬菌體注入系統非常相似，」 Pilhofer 說道。「我們猜想基因來自現在噬菌體的祖先，在很久以前就將自身裝進細菌基因組內了。」

同樣存在於其他細菌中

基因組比對顯示，微型匕首不僅存在於Amoebophilus中，在許多其他菌種中也有，像這樣的最重要的細菌種群至少有九種。研究人員還未探究這些細菌是否也會使用匕首來避免被阿米巴蟲消化，或者它們的匕首有完全不同的用途。他們已為將來的工作準備了很長時間。

科學家最終希望能使用冷凍聚焦離子束研磨的新方法來解析其他複雜分子系統的結構。「技術能夠幫助處理細胞、傳染病和結構生物學中的許多其他問題。我們已經與其他研究團隊合作，提供我們的專業知識。」 Medeiros 說道。

論文基本信息

【題目】In situ architecture,function, and evolution of a contractile injection system

【作者】B?ck D, Medeiros JM, Tsao HF, Penz T, Weiss GL,Aistleitner K, Horn M, Pilhofer M

【期刊】Science

【日期】2017年8月18日

【DOI】DOI:10.1126/science.aan7904

【地址】http://science.sciencemag.org/content/357/6352/713.long

【摘要】

Contractile injection systems mediate bacterial cell-cell interactions by abacteriophage tail-like structure. In contrast to extracellularsystems, the type 6 secretion system (T6SS) is defined by intracellularlocalization and attachment to the cytoplasmic membrane. Here we usedcryo-focused ion beam milling, electron cryotomography, and functional assaysto study a T6SS in AmoebophilusasiaticusThe in situ architecture revealedthree modules, including a contractile sheath-tube,a baseplate, and an anchor. All modules showed conformational changes uponfiring. Lateral baseplate interactions coordinated T6SSs in hexagonal arrays.The system mediated interactions with hostmembranes and may participate in phagosome escape. Evolutionary sequenceanalyses predicted that T6SSs are more widespread than previously thought. Ourinsights form the basis for understanding T6SS key concepts and exploring T6SSdiversity.

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