接合是细菌间遗传物质交流的方式之一，在耐药性质粒的传递中发挥尤为重要的作用。在革兰阴性菌中，接合由IV型分泌系统 (type IV secretion system, T4SS) 介导，该系统能够产生性菌毛 (F菌毛)，将物质由供体细菌传递到受体细菌当中1。T4SS由外膜核心复合物 (outer membrane core complex, OMCC)、内膜复合物 (inner membrane complex, IMC)、连接OMCC和IMC的杆状结构 (stalk) 以及环绕stalk的环状复合物 (arches) 共同组成2。此前研究并未获得T4SS的高分辨结构，对于其菌毛生成以及DNA传递的机制也不完全清楚。

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2022年6月22日，英国伦敦大学的Gabriel Waksman、华盛顿大学西雅图分校的Qian Cong和来自英国伦敦大学的Kévin Macé，在Nature上共同在线发表题为Cryo-EM structure of a type IV secretion system的科研论文，报道了T4SS 2.8 Å的高分辨率结构，同时结合TrRosetta以及大量的生化实验，提出了T4SS产生接合菌毛的可能机制。

T4SS由VirB1-VirB11以及VirD4共12种蛋白组成，其中VirB1为非必需组分3。在利用R388质粒表达得到的T4SS中，除VirB2、VirB11以及VirD4以外，其他的组分均能在本文的结构中被观察到，不同亚复合物呈现不同的对称性和寡聚状态 (图1)。

图1. T4SS的整体结构

IMC总分子量达1.32 MDa，由6个原体组成，每个原体中均包含1个VirB3、2个VirB4和3个VirB8 N端尾巴 (VirB8tails)，其中，VirB4为AAA+ ATPase，提供系统工作所需的能量。VirB4形成的二聚体在中央形成六聚体结构，VirB3与其中一个VirB4相接触，而VirB8tails与另外一个VirB4相接触。每个原体中，VirB8tailsB和VirB8tailc会形成延伸的螺旋结构，而VirB8tailsA表现为弯折的螺旋 (图2)。

图2. IMC的结构

文章中所报道的stalk和arches均为之前结构生物学研究中未曾揭示过的部分。Stalk呈锥形，位于整个复合物的中心。VirB6五聚体插入内膜中，VirB5位于其基部。对比复合物中VirB5的结构与VirB5单独的结构，发现其N端向外伸展，可能参与和受体细菌之间的相互作用。VirB8周质空间结构域 (VirB8peri) 所形成的三聚体 (MolA-MolC) 进一步聚合为六聚体，构成围绕着stalk的arches部分。OMCC由位于外膜的O-层 (O-layer) 以及其下方周质空间中的I-层 (I-layer) 共同组成，在结构中共可观察到16个VirB10NTD和16个VirB9NTD (图3)。

图3. Stalk、arches以及OMCC结构

借助TrRosetta4,5和生化实验，研究者对蛋白互作界面上的氨基酸残基对进行了验证。简言之，以组成stalk的VirB5和VirB6为例，对氨基酸残基对的TrRosetta score进行排序，以最高得分的70%作为筛选阈值，纳入一系列用于后续分析的氨基酸残基对，并通过突变这些氨基酸残基对进行生化水平的验证。

VirB2是形成接合菌毛的主要蛋白成分，但在本文所发表的结构中不可见。结合Patchdock、TrRosetta以及生化分析，作者初步提出了菌毛生成的可能机制：VirB2亚基结合VirB6亚基后，VirB2进入组装位点，而VirB6上空缺的结合位点可以进一步募集和结合VirB2并用于后续组装 (图4)。此外，作者发现，整个复合物中央不存在通道状的结构，提示本文所得到的T4SS可能无法进行物质传递，而仅处于菌毛生成阶段。

图4. 菌毛生成模型

鉴于T4SS在细菌耐药性传递过程中的重要作用，本文的结构或许能够为研发新的临床药物，抑制耐药性的传递，提供潜在的靶点。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04859-y

参考文献

1. Costa, T. R. et al. Secretion systems in Gram-negative bacteria: structural and mechanistic insights. Nat. Rev. Microbiol. 13, 343–359 (2015).

2. Fronzes, R. et al. Structure of a type IV secretion system core complex. Science 323, 266–268 (2009).

3. Chandran Darbari, V. & Waksman, G. Structural biology of bacterial type IV secretion systems. Annu. Rev. Biochem. 84, 603–629 (2015).

4. Yang, J. et al. Improved protein structure prediction using predicted interresidue orientations. Proc. Natl Acad. Sci. USA 117, 1496–1503 (2020).

5. Baek, M. et al. Accurate prediction of protein structures and interactions using a three-track neural network. Science 373, 871–876 (2021).

供稿 | 孔方

审稿 | 王彤彤

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

视频剪辑 | Lynn