Science | 细菌的生存之道：异养捕食的分子机制解析
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淡水和海洋栖息地通常是异质性的环境，营养浓度在空间和时间上变化显著。异养（Ixotrophy）是一种细菌在水生环境中采用的接触依赖捕食策略，异养细菌（ixotrophic bacteria）通常为丝状多细胞生物，类似于捕蝇纸，它们捕获猎物细胞并使其粘附在自身表面，随后将其裂解。已知的猎物细胞包括多种细菌（如弧菌、发光杆菌以及多种蓝藻菌株）和真核生物（如硅藻）。
一些异养菌株含有称为“rhapidosomes”的有趣棒状颗粒，这些颗粒可能与细菌的滑动运动有关。研究表明，这些结构由一种类似于嗜虫沙雷氏菌的收缩性注射系统 (contractile injection system，CIS) 的蛋白组成。CIS 是一种大型分子注射装置，与噬菌体的收缩尾部具有同源性，包含一个基于基板结构组装的收缩性鞘管模块。
CIS 根据其作用模式分为两大类：胞外 CIS（eCIS）和 VI 型分泌系统（type VI secretion systems, T6SS）。eCIS 被释放到介质中并结合目标细胞，随后触发注射和货物转运。而 T6SS 则通过基板和附属部件锚定在内膜上，能够以接触依赖的方式将内容物注射到邻近细胞中。尽管棒状颗粒与 CIS 有相似性，但其在异养作用中的角色和作用机制尚不明确。
为了揭示异养细菌捕获猎物的机制，苏黎世联邦理工学院的Gregor L. Weiss和Martin Pilhofer课题组采用了Cryo-ET、同位素标记拉曼光谱等技术，解析了异养细菌Aureispira用于捕杀猎物的超微分子武器。研究揭示，猎物细胞内的特定基因序列可以插入到Aureispira的基因组中，从而调节其在不同营养环境下的捕食活性。相关研究于2024年10月18日发表在《科学》期刊，题为“Mechanism of bacterial predation via ixotrophy”。
图1 Aureispira在液、固体培养基中均表现出接触依赖性杀伤作用
为了从单细胞层面理解捕猎行为在固体表面上的动态过程，研究人员对Aureispira与Vibrio campbellii（猎物）进行了琼脂糖垫上的时间延迟光学显微成像。结果显示，Aureispira的滑行速度可达2 mm/s，类似于其他典型的SprB介导的爬行运动。有趣的是，Aureispira常常利用这种滑行运动接近V. campbellii，甚至直接“迎面滑行”到V. campbellii细胞上。在约78%的细胞-细胞接触中，V. campbellii细胞随后表现出裂解迹象。
为了观察可能参与捕获和杀死猎物的超微结构，研究人员利用cryo-ET对Aureispira细胞进行了成像。根据电镜照片，一个菌丝中的单个细胞由隔膜分隔，具有典型的革兰氏阴性细胞包膜，并且与独特的超分子机器相关联。外膜上附着了许多带有末端“抓钩”样结构（grappling hook）的刚性杆。此外，所有细胞都表现出多个类似T6SS的装置，主要处于伸展状态，较少出现收缩状态。T6SS常常伴随着类似“天线”的细胞外结构。
图2 七聚体“抓钩”样结构与猎物的鞭毛相互作用
在每个Cryo-ET图像中，沿着细胞体分布着多个长度均匀（240 ± 4 nm）的“抓钩”。对远末端进行亚断层进行平均处理，发现了由七个钩状密度组成的末端结构。
GhpA是一种由5898个氨基酸组成的蛋白质，其预测分子量为610 kDa。该蛋白形成的主干模块（stem module）由七条纵向排列的GhpA链构成，形成一个直而中空的结构，包含52个相似的免疫球蛋白样（Ig-like）重复序列。此外，邻近的Ig-like结构域之间存在大量的分子内二硫键和氢键。这些相互作用共同为主干结构的直立且刚性的形态奠定了基础。此外，主干结构的表面在苏氨酸和丝氨酸残基附近显示出较大的密度，可能对应于O-糖基化位点。
图3独特的T6SS（VI secretion system）能够有效杀死猎物
接下来，为了探究Aureispira的T6SS的结构和功能，研究人员在Aureispira基因组中鉴定出一个候选T6SS基因簇。该基因簇包含典型结构组分的基因，并将其重新命名为cis1至cis16。粗提纯的蛋白质组学分析确认了Aureispira的T6SS是由这些基因编码的。
在Cryo-ET图像中，伸展的T6SS始终被观察到锚定在内膜上，其长度均匀，约为420 ± 8 nm，证实了先前假定的测量蛋白（tape measure protein）的存在。平均而言，每个断层扫描图像中包含4.6个伸展的T6SS。值得注意的是，Aureispira的T6SS经常与细胞外的天线状结构相关联，这些天线呈现出两种不同的构象，分别称为“闭合”（58%；278/482）和“开放”（26%；124/482）。
图4 插入序列能够调控 T6SS 活性
由于在完全培养基中（full medium）观察到T6SS的自发失活，从而引发了对于T6SS活性是否受到营养状况影响的疑问。为了探究在饥饿条件下失活是否可逆，研究人员测定了两个与插入序列（Insertion sequences，IS）切除特异性相关的基因的转录水平。插入序列切除增强因子iee是一种容易出错的DNA聚合酶，之前的研究发现它能提高IS切除率；而recB则是DNA双链断裂修复机制的一个因子，同样也参与到插入序列得切除过程。通过比较在完全培养基和最小培养基（minimal medium）中的细胞iee和recB的转录水平，发现这两个基因在饥饿条件下显著上调。
基于上述结果，研究人员假设在营养限制条件下，缺乏T6SS的菌株可能通过插入序列切除重新激活T6SS。为验证这一假设，研究人员在营养限制条件下培养了一株T6SS阳性（野生型）和一株T6SS阴性（cis14::ISAursp2）（突变体）菌株，并与V. campbellii共同培养。每天测量光学细胞密度（OD600），以此作为V. campbellii的生存指标。如预期所示，野生菌株有效地杀死了V. campbellii，导致OD600值非常低。相比之下，三个独立突变体培养基的OD600在经过30天后仍然很高，表明没有杀伤活性。然而，在第33天和第36天，两个突变体培养基的OD600突然下降，证明杀伤能力被重新激活。
图5 异养捕食的整合模型
总体而言，本研究提出了一个整合模型，用于描述细菌的异养捕食，强调了多个细胞机制之间的相互作用。这些机制的基因簇在其他异养捕食阳性细菌中的存在，表明这一分子机制具有保守性。异养捕食可能在细菌获取异质水环境中的营养物质以及塑造微生物群落方面发挥着被忽视但至关重要的作用。
原文链接
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.adp0614
供稿 | 黄隽豪
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲
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