革兰氏阴性细菌VIII型蛋白质分泌系统的结构与功能研究

Various strains of bacteria are able to produce a unique class of ‘functional’ amyloids termed Curli, which are critical for biofilm formation, host cell adhesion, and colonization of inert surfaces. Curli shares biochemical and structural characteristics with amyloid fibers that have been implicated in many deleterious diseases in humans, and its biogenesis represents the type VIII bacterial secretion system. To uncover the architecture and the molecular mechanisms of the type VIII bacterial secretion system, we propose to determine the structures of the secretion machinery and explore the assembly mechanisms of Curli using a combinational methodologies that include X-ray crystallography, Cryo-EM, bacterial genetics and other biochemical and biophysical approaches. These studies may shed light on the secretion mechanism of the type VIII bacterial secretion system, and provide templates for the development of antibiotics aimed at attenuating biofilm formation.

许多革兰氏阴性细菌的表面存在一类富含淀粉样纤维（β-amyloids），被称为Curli的细胞器。组成Curli的淀粉样纤维和人类的许多退行性疾病密切相关的淀粉样纤维具有相似的生化与结构特征。 Curli的生成是菌膜（biofilm）在形成与建立过程中必不可少的，也代表了一类独特的细菌蛋白质分泌系统，即VIII型细菌蛋白质分泌系统。为了解VIII型细菌蛋白质分泌系统的分泌机理，我们拟用X-射线衍射晶体学，低温冷冻电镜技术，细菌遗传学以及其他生物物理、生物化学手段，研究负责Curli生成的分泌机器的结构与功能。这些研究一方面可以阐明VIII型细菌蛋白质分泌系统的分泌机制，另一方面也可为研发抗菌膜生成药物提供重要结构信息。

在许多肠杆菌科细菌的生物膜（biofilm）形成、粘附宿主细胞和惰性表面定殖中，curli起关键作用。大肠杆菌中，curli的生成需要七种curli特异性基因（csg），csgA-csgG的共同作用产物。其中，两个位于大肠杆菌外膜蛋白CsgG和CsgF是curli形成的核心组分，用来分泌和组装curli结构亚单元，CsgA和CsgB。我们解析了CsgG与CsgFN端20-59的冷冻电镜结构，分辨率为2.9埃。该结构揭示了CsgF通过1:1的化学计量比与CsgG形成稳定复合物，其N末端27个残基排列在非聚合物CsgG通道的上腔中，形成插在CsgG通道中的漏斗状实体，并产生具有两个收缩区的独特分泌通道。功能研究表明，CsgF向细胞表面的输出需要CsgG通道，CsgF不仅作为连接CsgB和CsgG的接头发挥作用，而且在控制curli结构亚基的易位和/或聚合速率方面可能发挥重要作用。同时，我们发现当细胞外给药时，来源于CsgF的肽能够有效地抑制大肠杆菌的curli生成，这突出了一种在大肠杆菌菌株中干扰生物膜形成的潜在策略。