Nature | 结核杆菌如何摄取营养——MCE脂质转运体的结构解析

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每年有超过一百万人因感染结核病而死，结核杆菌作为结核病的致病原，被宿主的巨噬细胞吞噬后，会在细胞内的吞噬体（phagosome）中生长和繁殖（图1）。为了在吞噬体内生存，结核杆菌需要从宿主细胞内摄取离子，脂质和其他代谢物。具体来讲，MCE（mammalian cell entry，哺乳动物细胞进入）蛋白家族可以介导结核杆菌横跨细胞壁摄取脂肪酸、胆固醇。结核杆菌属于革兰氏阴性菌，为了介导脂质的摄取，MCE必须将底物横跨不通透的细胞壁，包含了（1）内膜（IM），（2）外膜（MOM）及（3）IM和MOM之间的周质空间（图2）。但是目前对于底物如何跨越结核杆菌细胞壁运输至细胞质，以及MCE这样横跨周质空间的蛋白结构仍然不清楚。

图1 结核杆菌被巨噬细胞吞噬后的生长和繁殖【1】

图2 结核杆菌（革兰氏阴性）细胞壁的结构，MCE可以将脂质从细菌外侧运输至细胞质

2023年7月26日，来自美国纽约大学医学院Damian C. Ekiert和Gira Bhabha合作解析了耻垢分枝杆菌内源Mce1脂质转运蛋白的冷冻电镜结构。该结构揭示了Mce1蛋白是如何组装形成一个足以跨越细胞壁的纤维状ABC转运复合物。

由于结核杆菌的高致病性，作者选择了内源纯化来自于耻垢分枝杆菌的同源MCE转运体（序列68%一致）。mce1操纵子核心区域由8个保守的基因构成，分别为2个yrbE基因编码ABC转运体，以及6个基因编码MCE蛋白。在mce1操纵子之外的区域，也有编码ATP酶的mceG基因（图3a）。作者在mceG基因的C端添加了GFP标签用于纯化（图3b）。为了检测GFP标签对于MceG功能的影响，作者进行了菌株的生长曲线实验，分别为在棕榈酸（图3c）和胆固醇（图3d）作为唯一碳源的条件，棕榈酸和胆固醇都是Mce1的底物，以及Mce1转运需要MceG作为ATP酶的功能。GFP标签对于菌株生长影响较小，而敲除mceG或者突变重要氨基酸都会抑制菌株生长。通过GFP标签纯化，作者从内源纯化了MCE的复合物（图3e），用于后续的冷冻电镜结构解析。

图3 MceG-GFP的构建与纯化

作者通过冷冻电镜解析Mce1转运体的结构，分辨率为2.3 Å～3.2 Å（图4）。Mce1转运体复合物由10个蛋白组成，包含了Mce1A, Mce1B, Mce1C, Mce1D, Mce1E, Mce1F, YrbE1A, YrbE1B各一个，以及2个MceG。Mce1组成了一个高度延伸的复合物，长度约为310 Å，可以分为4个主要的部分（图4b和4c），（1）入口（portal），由Mce1ABCDEF的C末端组成的β桶装结构，靠近外膜（MOM）；（2）针管（needle），由Mce1ABCDEF的α螺旋组成，在周质空间中；（3）圆环（ring），由Mce1ABCDEF亚基组成，靠近内膜（IM）；（4）ABC转运体，由YrbE1AB转运蛋白（位于内膜）和ATP酶MceG（位于细胞质）组成。作者推测脂质可以从外膜进入Mce1的入口，并通过针管中形成的疏水通道进入ABC转运体（图4d），在消耗ATP将其转运至细胞内。这是第一个在分枝杆菌中解析的横跨周质空间的转运体的结构。

图4 内源MCE复合物的冷冻电镜结构

作者在结构解析中，在一类密度图还发现存在额外的蛋白质密度（图5a，Map1），通过对密度的搭建，并使用FoldSeek（图5b）搜索AlphaFold2的数据库，找到了一个名为LucB的蛋白，其序列与密度吻合较好（图5c）。LucB形成了一个凹槽，Mce1C的N端跨膜螺旋穿过这一凹槽进入内膜。作者推测LucB可能起到一个调节转运体活性的功能。

图5 LucB是可以结合Mce1的调节因子

综上，作者提出了由Mce1介导的脂质转运模型（图6），（1）脂质从MOM直接进入Mce1的入口，或者由MOM其他未知的因子介导进入；（2）底物会通过由针管围成的中央疏水通道横跨周质空间进入圆环区域，到达针管的底部；（3）针管底部的环形区域会发生构象改变，使得中央孔洞开放，底物进入内膜的ABC转运体中；（4）MceG水解ATP产生能量介导YrbE1AB构象改变，从而运输单向运输底物至细胞质。LucB结合Mce1C，可能起到调节因子的作用，或者作为脚手架招募其他组分，但是具体功能仍然未知，等待后续的研究证实。

图6 Mce1介导的脂质转运模型

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06366-0

参考文献

参考文献

【1】Mekonnen, Daniel. et al. (2021). Lipid droplets and the transcriptome of Mycobacterium tuberculosis from direct sputa: a literature review. Lipids in Health and Disease. 20. 10.1186/s12944-021-01550-5.

【2】van Kempen, M. et al. Fast and accurate protein structure search with Foldseek. Nat. Biotechnol. https://doi.org/10.1038/s41587-023-01773-0 (2023).

供稿 | 朱盎岐

审稿 | 李浩田

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

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