牙周病（俗称牙龈病）是全球最普遍的疾病之一，由牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis）引起。仅在日本，约80%的30岁及以上成年人患有牙周病或属于高危人群。

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发表在《通讯生物学》上的一项由冲绳科学技术大学院大学（OIST）联合鸟取大学、广岛大学和长崎大学开展的研究，揭示了这种细菌导致牙菌斑形成的新机制。

研究人员利用冷冻电子显微镜（cryo-EM），揭示了Mfa菌毛的三维结构，这是一种类似手臂的丝状结构，能让细菌附着到宿主组织和其他微生物上。

柴田聪博士是这篇论文的第一作者，他之前在OIST分子冷冻电子显微镜部门做研究，现在是鸟取大学的讲师。他说：“通过了解牙龈卟啉单胞菌如何附着到宿主组织上、建立感染并参与生物膜形成，我们可以为将来的治疗策略提供思路。我们得到的详细结构信息，可以作为药物设计的参考模板，用来找到能阻断附着和感染的化合物。”

为了黏附在宿主或其他微生物上，牙龈卟啉单胞菌使用两种不同类型的丝状结构（菌毛）：Fim和Mfa。两者均由多个蛋白质亚基组成，这些亚基连接在一起形成长臂状结构，能黏附到不同类型的细菌和人体组织上。Mfa中大部分的亚基都是Mfa1蛋白。

这些作者一直在关注这类丝状结构的结构和功能，此前已经描述过Fim菌毛的关键成分FimA的结构。通过这篇新论文，他们进一步补全了整体认识，阐明了Mfa1链的结构——Mfa1链是Mfa菌毛的核心部分，并描述了这些链如何组装并与其他细菌结合。

为了理解纤丝的形成，研究人员首先在体外聚合了Mfa1蛋白，并通过冷冻电镜进行分析，以3.0 Å的近原子分辨率解析了其结构。

通过对蛋白质进行修饰，研究团队探索了特定位点在纤丝组装中的作用和重要性。他们展示了Mfa蛋白如何在一个称为链交换的过程中结合在一起，该过程依赖于蛋白质C端区域内的相互作用来维持结构稳定性。

冷冻电镜结构解析揭示了Mfa纤丝内的金属离子，通过进一步分析，这些离子被鉴定为钙。Shibata说：“我们的测试表明，这种钙结合可能有助于细菌逃避免疫识别。”

通过计算机模拟，研究人员还能观察到Mfa纤丝与戈登链球菌的互动。戈登链球菌是另一种常与牙龈卟啉单胞菌一起出现在牙菌斑中的细菌。通过识别这些细菌如何相互作用，科学家就更容易筛选出能阻断这些互动的化合物，从而阻止牙菌斑形成。

除了牙龈疾病外，牙龈卟啉单胞菌还被认为与多种疾病有关联，包括肺炎、糖尿病、阿尔茨海默病、类风湿性关节炎、中风、心血管疾病和孕期不良后果。有了这些详细的结构信息，研究人员希望帮助科学家研发针对牙龈卟啉单胞菌相关疾病的疗法。