在结核病中发现新的毒素释放系统
六年前，Michael Niederweis博士描述了迄今为止发现的第一个致命病原体结核分枝杆菌毒素。这种毒素，结核坏死性毒素，或TNT，成为一种以前未被认识的新型毒素的创始成员，存在于600多种细菌和真菌物种中，由蛋白质序列相似性决定。随着结核分枝杆菌在人类巨噬细胞宿主体内存活和生长，毒素被释放出来，杀死巨噬细胞，允许细菌逃逸和传播。
132年来，结核分枝杆菌中缺乏一种确定的毒素，这与几乎所有其他致病菌形成了鲜明对比，这些致病菌的毒素会导致疾病或死亡。结核分枝杆菌每年感染900万人，导致100多万人死亡。
现在，在另一项开创性的工作中，阿拉巴马大学伯明翰分校的研究人员及其同事描述了结核分枝杆菌产生的两种小ESX蛋白如何通过包裹细菌的膜上的孔隙形成介导TNT的分泌。这一发现可能具有广泛的应用，因为在EsxE和EsxF上发现的一种独特的三氨基酸基基——色氨酸/任意氨基酸/甘氨酸，简称为WXG——也在许多其他小分枝杆菌蛋白质和类似EsxE和EsxF的细菌蛋白质的WXG100超家族中发现。
“在这里，我们首次展示了WXG100家族的小Esx蛋白通过介导毒素分泌在Mtb细胞内具有重要的分子功能，”UAB微生物学系教授Niederweis说。“我们的研究结果表明，小Esx蛋白形成孔隙的动态机制可能适用于WXG100蛋白家族的其他成员。因此，我们的研究不仅代表了我们对结核分枝杆菌中TNT和可能的其他蛋白质分泌的理解的重大进展，而且还描述了结核分枝杆菌中esx - parogs及其在革兰氏阳性细菌中WXG100蛋白家族中的同源物的生物学功能。”
TNT是结核分枝杆菌外膜蛋白CpnT的两个结构域之一;巨噬细胞胞浆中CpnT的TNT结构域活性通过水解NAD+诱导巨噬细胞死亡。结核分枝杆菌有一层内膜和一层外膜，一种蛋白质需要穿过每一层才能在细菌外分泌。CpnT如何到达外膜是未知的。
EsxE和EsxF与CpnT是同一基因片段的一部分，UAB的研究人员假设这两个小蛋白质可能参与了毒素的分泌。
通过创造既缺乏EsxE又缺乏EsxF的不同菌株，他们发现这两种蛋白对于CpnT转运到结核分枝杆菌的细胞表面以及TNT分泌到感染结核分枝杆菌的巨噬细胞的细胞质都是必需的。此外，EsxE和EsxF是结核分枝杆菌表面可达蛋白，是一种膜相关复合物。
为了更多地了解这种易位机制，UAB团队对每个Esx蛋白进行了突变，其中每个蛋白质上单个WXG基序的色氨酸氨基酸被氨基酸丙氨酸取代。这些突变体表明，在EsxE和EsxF上有一个完整的WXG基序才能有效地将CpnT转位到结核分枝杆菌的外膜，并随后将TNT分泌到感染巨噬细胞的细胞质中。
对水溶性EsxE和EsxF蛋白的纯化表明，它们形成了EsxE-EsxF二聚体，通过电子显微镜观察，其中5个二聚体组装成星形结构。每一个直径约为10纳米，中心孔为3纳米。
平面脂质双分子层实验是了解EsxE-EsxF分子功能的关键，因为他们表明EsxE-EsxF孔通过脂质膜形成通道。
最后，研究人员表明WXG基序是EsxE-EsxF配合物形成孔和膜破坏所必需的，并且基序介导了功能EsxE-EsxF低聚物的组装。这就定义了先前神秘的WXG基序的生化作用。
Niederweis说:“EsxE和EsxF构成了已知的第一个在结核分枝杆菌中介导蛋白质分泌的外膜成分。”然而，EsxE和EsxF不太可能足以分泌TNT，因为所有已知的细菌蛋白质分泌系统都需要能量来源。因此，EsxE-EsxF有可能与其他蛋白质或蛋白质复合物结合，实现CpnT输出和TNT分泌。”
UAB研究人员提出了EsxE和EsxF转运CpnT的两种模型。首先，EsxE-EsxF异二聚体在内膜上形成一个孔，然后在外膜上形成另一个孔，形成跨膜通道。“或者，”Niederweis说，“内膜通道通过丝的形成扩展到跨越周质，并连接到外膜上的EsxE-EsxF孔，将EsxF暴露在细胞表面。在这个模型中，假定的EsxE-EsxF通道隧道使CpnT多肽输出到结核分枝杆菌的外膜，随后分泌TNT和EsxE-EsxF。”
UAB微生物学系的Uday Tak和Terje Dokland与Niederweis共同发表在《自然通讯》上的研究“孔隙形成Esx蛋白介导结核分枝杆菌的毒素分泌”。
Niederweis说:“这项工作是一位优秀的研究生Uday Tak的卓越成就，他几乎独自完成了所有这些实验。”Uday Tak于2020年11月获得博士学位，现在是科罗拉多大学博尔德分校的博士后。
参考:杜德伟，杜德伟，李志强，等。成孔Esx蛋白介导结核分枝杆菌毒素分泌。Nat。Commun．2021; 12(1): 394。doi:10.1038 / s41467 - 020 - 20533 - 1
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