清华大学生命学院王佳伟课题组合作解析F型绿脓菌素的结构

细菌素是一类由细菌产生的具有杀菌活性的蛋白质，通常能杀死近缘竞争菌株。这一特性使得其具有工程化改造为杀菌剂的潜力。其中，噬菌体尾样细菌素（PTLBs）的结构与噬菌体尾部相似，因而备受关注。PTLBs可分为刚性、可收缩的R型以及柔性、不可收缩的F型。针对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）产生的R型绿脓菌素的研究已经相对深入，而F型绿脓菌素的组装机制、杀菌机制等仍旧不明。

8月10日，清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心王佳伟课题组在《先进科学》（Advanced Science）发表了题为“F型绿脓菌素与λ噬菌体尾部：保守核心枢纽，分化纤维结构”（F-Type Pyocin Versus Phage λ Tail: Conserved Hub, Divergent Fibers）的研究论文。该研究解析了铜绿假单胞菌产生的F型噬菌体尾样细菌素F2型绿脓菌素的高分辨率冷冻电镜结构，并与λ噬菌体尾部结构进行了对比。

研究团队从一种PTLBs的铜绿假单胞菌菌株ATCC 15442中诱导表达并纯化了F2型绿脓菌素，随后利用冷冻电镜技术解析其原子结构。团队通过分段解析策略，克服了颗粒自有柔性带来的重建困难，分别获得了“帽区”（Cap）、“尖端”（Tip）和“尾纤维”（Tail Fiber）区域的高分辨率结构，并重构出基本完整的分子模型（图1）。

图1.F2-pyocin的整体结构

F2型绿脓菌素的尾管由19-22个堆叠的尾管蛋白（TTP/PyoF2）六聚体环组成。帽区的终止蛋白（TrP）、尾管蛋白，尖端的基板枢纽蛋白（BHP1、BHP2）、远侧尖端蛋白（DTP）等的组装方式与相互作用结构域均采用了长尾噬菌体保守的尾管折叠。此外，F2型绿脓菌素的尾部尖端复合物的所有主要成分在λ噬菌体中都有明确的结构同源物。总体而言，F2型绿脓菌素与λ噬菌体之间的结构是保守的（图2）。

图2.F2型绿脓菌素与λ噬菌体尾部的尖端区域结构相似性

在λ噬菌体尾部和此前研究的单核细胞增多性李氏杆菌素（monocin）等系统中，负责识别宿主受体的侧纤维通常锚定在DTP或尾尖中央蛋白（TTMP）上。然而，F2型绿脓菌素的侧纤维锚定在中央直纤维（CSF）的α-螺旋杆（AHS）上（图3）。AHS形成三股卷曲螺旋，分别与一组侧纤维蛋白（PyoF13）三聚体结合。每个侧纤维蛋白三聚体包含一个受体结合结构域（RBD），其与R型绿脓菌素的脂多糖（LPS）识别结构域高度相似。这提示F型绿脓菌素很可能也是通过识别铜绿假单胞菌表面LPS的特定血清型来实现精准杀伤。

图3.F2型绿脓菌素的侧纤维区域

本研究首次解析了来自革兰氏阴性菌的F型PTLBs的高分辨率结构，验证了F2型绿脓菌素与λ噬菌体的演化亲缘关系，鉴定了一种独特的侧纤维附着模式。这些结果为理解F型绿脓菌素的杀菌机制以及开发新型抗菌疗法提供了结构基础和科学依据。

清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心王佳伟副教授、澳门城市大学大健康学院助理教授葛霄飞、中国科学院微生物研究所马旅雁研究员为本文共同通讯作者；清华大学生命科学学院2022级博士生顾志炜和2026届本科毕业生谢宇凡为本文共同第一作者。中国科学院大学博士生王兰昕参与了本课题工作。

本研究冷冻电镜数据采集工作得到了水木生物科技公司的技术支持，获得澳门科学技术发展基金（FDCT）、国家自然科学基金及北京市自然科学基金的共同资助。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.77063

供稿：生命学院

编辑：李华山

审核：王晓霞