细菌如何学会靶向多种细胞类型

　　

一项新研究揭示了细菌如何改造一种源自病毒的注射系统，使其能够识别并附着于多种不同类型的细胞。研究人员通过系统地鉴定数千种快速进化的受体结合蛋白，解释了这些系统如何在自然界中通过替换与细胞结合的部分而反复进行靶向。这项研究不仅解开了长期以来关于这些细菌机器如何运作的谜团，还表明可以通过基因工程改造这些系统，使其能够将蛋白质递送到特定的人体细胞中，这预示着未来在生物医学和生物技术领域具有广阔的应用前景。

病毒几乎会攻击地球上所有生物。为了做到这一点，它们依赖于高度特化的蛋白质，这些蛋白质能够识别并结合靶细胞表面的受体，这种分子层面的军备竞赛驱动着病毒的不断进化。

现在，由耶路撒冷希伯来大学农业、食品和环境学院的Asaf Levy教授领导的一项发表在《Nature Communications》上的新研究揭示了这种进化创造力究竟能走多远。

经过数年的研究，博士研究员尼Nimrod Nachmias与北京国家卫生健康委员会病原体系统生物学重点实验室Peng Jiang教授实验室的Zhiren Wang和Xiao Feng合作，  发现了细菌使用的大量此前不为人知的受体结合蛋白，其中许多是从病毒、植物、真菌甚至动物那里借用的。

细菌重新利用的病毒遗产

这项发现的核心是细胞外收缩注射系统（eCIS ），这是一种源自噬菌体尾部的复杂病毒样分子机器。病毒利用这些结构感染细胞，而许多细菌则将其改造为毒素输送装置，用于攻击昆虫等竞争宿主，也可能用于攻击其他微生物。

研究人员解释说：“eCIS看起来像病毒武器，但它们现在已经完全融入细菌的生命之中。它们被用于我们才刚刚开始了解的生态斗争中。令人惊叹的是，一种病毒（噬菌体）如何将自身的DNA注入特定的细菌，最终演变成了一种细菌工具，能够将蛋白质毒素注入多种多样的宿主细胞。”

破解一个长期存在的谜团

多年来，研究人员一直怀疑eCIS依赖于类似于病毒刺突蛋白的特异性受体结合蛋白来识别其靶标。但鉴定这些蛋白却异常困难。

与冠状病毒的刺突蛋白类似，这些被称为尾纤维蛋白的受体结合蛋白结构域进化速度极快，不断改变形状以跟上其靶标的步伐，这被称作一场分子军备竞赛。传统的搜索方法屡次未能检测到它们。

为了克服这一难题，该团队开发了一种新的计算算法，能够识别数千个基因组中的这些难以捉摸的基因。结果令人瞩目。

研究人员在 1069 种细菌和古菌中发现了 2585 个 eCIS 基因操纵子编码的 3445 种 eCIS 尾纤维蛋白，这是迄今为止最全面的同类目录。

进化加速

该研究表明，eCIS尾纤维由两个不同的部分构成：

• 一个保守的“锚定”结构域，将纤维连接到eCIS颗粒上

• 高度可变的受体结合域决定了哪些细胞类型可以被靶向。

利用结构预测工具，该团队将这些蛋白质分为 1177 个不同的结构域折叠家族，其中许多预计会与细菌或真核细胞表面的糖和蛋白质结合。

值得注意的是，遗传证据表明，这些结构域中的许多都是通过水平基因转移获得的——不仅来自其他细菌和病毒，还来自植物、真菌以及动物免疫系统的组成部分。水平基因转移在细菌中是一种常见现象。然而，如此频繁地从如此多种多样的真核生物中获取基因，并将其整合到一个特定的基因（不同微生物的尾纤维基因）中，在自然界中却十分罕见。

研究人员表示：“这简直是加速进化的极致体现。细菌本质上是在对生物世界进行采样，寻找有用的结合工具并加以改造利用。”

从发现到演示

为了检验这些发现是否具有实际意义，研究人员从一种类芽孢杆菌（Paenibacillus eCIS）中选择了一种候选尾纤维，该纤维与血凝素（一种受体结合蛋白，最广为人知的是流感病毒和麻疹病毒）相似。他们推测，这种尾纤维可能与人类细胞结合。

他们设计了一种嵌合 eCIS 颗粒，为其配备了这种新发现的纤维，并证明它可以与人类 THP-1 单核细胞样细胞结合并将蛋白质注入其中，同时不会影响其他细胞类型。

进一步的实验表明，D-甘露糖（一种存在于人类细胞表面的糖）可能作为关键受体发挥作用，当从外部添加时，会部分阻断结合。

电子显微镜图像捕捉到了病毒样颗粒在释放分子有效载荷之前附着在人类细胞上的瞬间。

不断发展的生物技术前沿

研究团队强调，其他团队，包括几家初创公司，也在探索工程化eCIS系统，但这项发现的规模极大地扩展了未来应用可用的工具库。这项研究揭示了数千种自然进化的受体结合蛋白，这些蛋白最终可能被用于将药物、酶或其他治疗分子递送到特定细胞类型。

未来探索的地图

除了其技术前景之外，这项研究还提出了基本的生物学问题。

研究人员补充说：“我们对自然界中许多这类系统的功能仍然知之甚少。它们以哪些细胞为靶点？它们在什么条件下发挥作用？这份目录首次为我们提供了一张地图，让我们能够开始解答这些问题。”

希伯来大学牵头的这项研究揭示了细菌基因组中隐藏的受体结合域的非凡多样性，突显了古老的病毒机制如何继续塑造生命，以及大自然的解决方案如何启发下一代生物医学工具。