Science丨细菌递送微管蛋白实现定植|介导|基因改造细菌|宿主|微管蛋白|细胞|结构域

撰文 | 染色体

鲍特氏菌（ Bordetella ）的丝状血凝素（FHA）是一种关键黏附蛋白【1】，由 FhaB 通过 FhaC 分泌系统加工成熟后定位于细菌表面或释放至环境中【2】。成熟的 FHA 可与宿主整合素、硫酸乙酰肝素蛋白聚糖及乳糖基神经酰胺等受体结合，从而介导细菌对呼吸道上皮的黏附。同时， FHA 还可促进细菌自聚集及生物膜形成，增强其在宿主中的持续定植能力【3】。

近日，来自美国加州大学圣塔市分校的 Christopher S. Hayes 与加州大学欧文分校的 Shane Gonen 共同在 Science 期刊发表题为 Bacteria deliver a microtubulebinding protein into mammalian cells to promote colonization （细菌通过向哺乳动物细胞递送微管结合蛋白促进定植）的文章。研究发现，致病性鲍特氏菌通过黏附蛋白 FhaB 将其 C 端微管结合结构域（ FhaB-CT ）递送至宿主纤毛细胞内部，并与轴丝微管直接结合，帮助细菌从纤毛顶端迁移至基部并实现稳定附着，从而避免被呼吸道黏液纤毛清除机制清除。

研究首先发现，鲍特氏菌的 FhaB/FhaC 系统在结构与功能上与细菌竞争系统 CdiA/CdiB 具有显著相似性【4】。两者均含有丝状 FHA 结构域以及能够介导蛋白转运的前结构域，提示 FhaB 可能由细菌毒素递送系统进化而来【5】。不同于 CdiA 主要递送毒素， FhaB 携带特有的 C 端结构域 FhaB-CT ，该结构域可能作为功能模块被递送至宿主细胞，从而促进细菌定植。这一发现提示FhaB不仅是黏附因子，还可能具有主动调控宿主细胞的能力。

FhaB 可向宿主细胞递送功能蛋白

为验证 FhaB 是否具备蛋白递送功能，研究人员构建嵌合蛋白 FhaB-CTYkris ，将具有核糖核酸酶活性的外源 C 端结构域替换 FhaB 天然 C 端。结果显示，该嵌合蛋白仍可正常介导细菌与 K562 细胞的黏附，并成功将 RNase 递送至宿主细胞质中，导致 18S rRNA 特异性降解；这一效应可被相应免疫蛋白阻断，证实 RNase 确实通过 FhaB 进入宿主细胞。进一步机制分析表明， FhaB 介导的蛋白递送依赖 FhaC 转运蛋白及特异性受体识别结构域（ RBD ），缺失这些结构会同时阻断黏附和递送过程。此外， FHA-2 膜穿透结构域和富脯氨酸区（ PRR ）对蛋白跨膜转运至关重要，但并不影响细菌黏附，说明单纯黏附不足以实现蛋白递送。相比之下，部分黏附相关结构如肝素结合域和整合素结合位点仅起辅助作用。总体而言，FhaB通过类似细菌接触依赖抑制（CDI）的机制，将其C端结构域主动递送至哺乳动物细胞质，揭示其兼具黏附与蛋白递送双重功能。

FhaB-CT 直接结合宿主微管

进一步研究发现， FhaB-CT 可直接与宿主细胞微管结合。将 FhaB 的 PRR-CT 区域与 GFP 融合并在 U2OS 细胞中表达后，荧光显微观察显示该结构域形成纤维状结构并与微管网络高度共定位。体外实验同样证实，纯化的 FhaB-CT 可与微管共同沉降，表明两者存在直接相互作用，而其他细菌来源的类似结构域则不具备此能力。结构功能分析显示，虽然 PRR 有助于增强结合能力，但最小 FhaB-CT 结构域本身已足以介导微管结合。晶体学和冷冻电镜结构解析进一步揭示， FhaB-CT 具有独特的α / β折叠结构，并结合于微管外表面，主要通过离子键和氢键与α - 微管蛋白保守位点相互作用，同时与相邻原丝形成稳定接触。这些结果明确证明FhaB-CT是一种新型微管结合蛋白，可直接靶向宿主微管网络。

FhaB 微管结合域决定纤毛基部定植

研究进一步证实， FhaB-CT 对细菌黏附本身并非必需，但对呼吸道纤毛基部的稳定定植至关重要。在大鼠气管上皮模型中，野生型鲍特氏菌主要定位于纤毛基部，而缺失 FhaB 或 FhaB-CT 的突变菌仅停留在纤毛顶端，无法深入纤毛结构。实时成像显示，这些突变菌更易受到纤毛摆动影响并被清除，说明 FhaB-CT 通过结合纤毛轴丝微管增强细菌附着稳定性。进一步突变实验表明，微管结合结构域、膜穿透结构域及 PRR 区均对细菌进入纤毛基部至关重要。小鼠感染实验同样显示，缺失 FhaB-CT 或无法递送该结构域的百日咳杆菌定植能力显著下降，而恢复该结构域后定植能力得以恢复，进一步证明其关键作用。

综上所述，该研究揭示鲍特氏菌可通过 FhaB 将微管结合结构域递送至宿主细胞，并直接结合纤毛微管，从而增强细菌在纤毛基部的稳定附着并促进呼吸道定植。这一发现不仅揭示了细菌逃避免疫清除的新机制，也为理解病原体 - 宿主相互作用及开发抗感染策略提供了重要理论基础。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz2737

制版人：十一

参考文献

[ 1] J. D. Cherry,N. Engl. J. Med.367, 785 - 787 (2012).

[2] B. Clantin et al.,Science317, 957 - 961 (2007) .

[3] D. Relman et al.,Cell61, 1375 - 1382 (1990).

[ 4 ] S. K. Aoki et al.,Nature468, 439 - 442 (2010) .

[ 5] Z. C. Ruhe et al.,Cell175, 921 - 933.e14 (2018) .

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（*排名不分先后）