Nature｜一个分泌蛋白揭示共生细菌定殖宿主细胞的机制|分泌蛋白|基因改造细菌|宿主|病原菌|细胞质

撰文 | 阿童木

动物与细菌之间的互利共生关系在自然界中非常普遍。对于许多昆虫而言，细菌并不只是生活在肠道或体表，而是长期存在于宿主细胞内部，甚至成为宿主发育和营养代谢不可缺少的一部分【1】。蚜虫与其内共生的布赫纳菌（ Buchnera ）就是这一领域最经典的模型之一。布赫纳菌能够为蚜虫提供必需营养，尤其是宿主难以从植物汁液中充分获得的氨基酸；相应地，蚜虫也形成了专门容纳这些细菌的含菌细胞，并通过母体向胚胎稳定传递布赫纳菌【2】。

过去二十多年中，布赫纳菌基因组研究已经清楚展示了这类专性内共生菌如何在长期共生过程中发生基因组简化，并保留对宿主营养供给有用的代谢通路【2, 3】。然而，一个更细胞生物学的问题仍然没有得到充分回答：布赫纳菌如何进入宿主细胞？进入细胞后，它又如何避免被宿主的内吞和溶酶体系统清除？这些问题尤其重要，因为布赫纳菌已经成为专性细胞内共生菌，不能像常规模式细菌一样被轻易培养和遗传操作，因此其与宿主细胞互作的分子机制长期难以解析。

近日，德州大学奥斯汀分校 Nancy Moran 实验室等在 Nature 杂志在线发表了题为 A secreted endosymbiont protein essential for colonizing host cells 的研究文章。该研究从布赫纳菌保留的鞭毛基部结构出发，鉴定出分泌蛋白SyeA。SyeA在多个布赫纳菌谱系中保守存在，结构上类似病原菌效应蛋白，并在胚胎定殖时进入宿主细胞质。抑制syeA表达会导致布赫纳菌定殖受阻、胚胎发育异常，并增强含菌细胞溶酶体活性，提示互利共生可能保留了早期细菌入侵机制的遗迹。

布赫纳菌基因组已经高度简化，但一个长期令人注意的现象是，它仍然保留了26个编码鞭毛基部结构的基因。布赫纳菌并不形成完整鞭毛，但鞭毛基部结构与III型分泌系统同源，而III型分泌系统正是许多病原菌向宿主细胞输送效应蛋白的重要装置。基于这一线索，作者推测布赫纳菌可能仍保留某些能够直接作用于宿主细胞的分泌蛋白。

为寻找这些候选分子，作者利用BastionX对豌豆蚜布赫纳菌Buchnera-Ap编码的569个染色体蛋白进行预测，筛选可能的III型分泌系统底物。结果显示，共有8个蛋白被预测为候选效应蛋白，其中得分最高的是一个此前功能未知的假定蛋白，原名Yba3。根据后续功能证据，作者将其命名为 SyeA，即“symbiosis essential” 。

进一步比较113个布赫纳菌基因组后，作者发现其中103个含有syeA同源物，且这些SyeA同源物均被预测为III型分泌效应蛋白。系统发育分析提示，syeA基因很可能存在于布赫纳菌共同祖先中，并在后续演化过程中至少发生过六次独立丢失，主要出现在基因组更加精简的谱系中。除布赫纳菌外，SyeA同源物只在少数与蚜虫或近缘昆虫相关的细胞内共生菌中发现，提示这一基因可能经历过古老的水平基因转移。有趣的是，在可比对的C端区域，SyeA序列进化很快；但即使在序列高度分化的菌株之间，SyeA C端约170个氨基酸的三维结构仍然保持相似。也就是说， SyeA在快速序列变化的同时维持了结构层面的保守性，这提示该区域可能承担重要功能。

基于这一结果，作者进一步进行结构搜索，发现 SyeA的C端区域与EspG和VirA 等已知的III型分泌效应蛋白结构显著相似。 EspG和VirA等病原菌效应蛋白能够影响宿主细胞骨架、内吞运输以及细胞内免疫过程，从而促进病原菌入侵并在胞内持续存在。作者还利用AlphaFold3预测发现 SyeA可能与蚜虫Rho1发生互作。Rho家族GTP酶是肌动蛋白细胞骨架重排的核心调节因子，也是多种细菌效应蛋白的常见靶标。不过，SyeA与Rho1之间是否存在直接互作，仍需要进一步实验验证。

为了观察SyeA在共生过程中的定位，作者制备了针对SyeA的抗体，并在蚜虫胚胎和含菌细胞中进行免疫荧光分析。结果显示，在布赫纳菌进入胚胎合胞体的定殖阶段，SyeA信号明显升高，并集中出现在细菌进入宿主细胞的区域；与此同时，入口处伴随大量肌动蛋白聚集，提示这一过程可能涉及宿主细胞骨架重塑。

进一步观察发现，随着布赫纳菌进入并在合胞体细胞质中移动，SyeA逐渐分布于共生小体周围。随后，当合胞体分裂形成单核含菌细胞后，SyeA信号减弱，并主要以点状簇形式存在于共生小体外侧的宿主细胞质中。这说明 SyeA不仅从布赫纳菌细胞中分泌出来，还能够跨过宿主来源的共生小体膜，进入含菌细胞细胞质环境。在成熟和衰老的含菌细胞中，SyeA仍可被检测到，并在部分共生小体周围与晚期内体标志物Rab7的信号同步升高。虽然这一结果不能证明SyeA与Rab7直接互作，但结合其定位模式，提示SyeA可能参与调节布赫纳菌与宿主内吞—溶酶体降解通路之间的关系。

由于布赫纳菌目前难以进行常规遗传操作，作者采用肽核酸（PNA）方法降低syeA表达，结果显示，对照组母体中的胚胎发育正常，而anti-syeA处理组中许多末端胚胎出现明显畸形和生长受阻，布赫纳菌信号明显减少甚至缺失。独立重复实验得到相似结果，说明 SyeA对布赫纳菌成功定殖胚胎及胚胎正常发育至关重要。

作者还检测了syeA敲低对成熟含菌细胞的影响。向3龄蚜虫注射anti-syeA PNA后，作者使用嗜酸性染料标记溶酶体相关区室。结果显示，syeA敲低后含菌细胞中的溶酶体活性显著升高。这一发现与前面的定位结果相互呼应，提示 SyeA可能不仅参与布赫纳菌进入胚胎细胞，也可能有助于限制或调节宿主溶酶体系统对布赫纳菌的降解。

综上所述，本研究鉴定了布赫纳菌分泌蛋白SyeA，并证明其对布赫纳菌定殖宿主胚胎细胞具有关键作用。SyeA在结构上类似病原菌III型分泌效应蛋白，在定殖阶段进入宿主细胞质，并与肌动蛋白重排和溶酶体活性变化相关。这些结果提示，今天高度稳定的互利共生关系中，仍可能保留着早期细菌进入宿主细胞的分子遗迹。随着共生关系长期演化，宿主对内共生菌的控制逐渐增强，原本复杂的细菌入侵机制可能不断退化，但SyeA这样的关键分子仍被保留下来，成为内共生菌建立和维持细胞内生活方式的重要基础。

未来，如果能够进一步明确SyeA跨越共生小体膜进入宿主细胞质的具体方式，并验证其与Rho1等宿主因子的直接互作，将有助于更精确地理解内共生菌如何调控宿主细胞骨架和内吞—溶酶体通路。与此同时，比较不同布赫纳菌谱系中SyeA的保留与丢失，也可能揭示宿主控制增强过程中，细菌入侵机制如何被逐步改造为稳定的共生传递机制。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10711-4

制版人：十一

参考文献

1. Kaltenpoth, M., Flórez, L. V., Vigneron, A., Dirksen, P. & Engl, T. Origin and function of beneficial bacterial symbioses in insects.Nat. Rev. Microbiol.1, 17 (2025).

2. Koga, R., Meng, X.-Y., Tsuchida, T. & Fukatsu, T. Cellular mechanism for selective vertical transmission of an obligate insect symbiont at the bacteriocyte–embryo interface.Proc. Natl Acad. Sci. USA109, E1230–E1237 (2012).

3. Shigenobu, S., Watanabe, H., Hattori, M., Sakaki, Y. & Ishikawa, H. Genome sequence of the endocellular bacterial symbiont of aphids Buchnera sp.APS. Nature407, 81–86 (2000).

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