上海交大曹骎课题组合作揭示芽孢杆菌中全新的GerQ蛋白纤维结构

2024年9月16日，上海交通大学Bio-X研究院曹骎课题组与美国弗吉尼亚大学医学院Edward H. Egelman课题组合作，在Nature Communications发表了题为“Molecular architecture of the assembly of Bacillus spore coat protein GerQ revealed by cryo-EM”的研究论文，首次报道了一种由芽孢杆菌孢子衣蛋白GerQ组成的蛋白质纤维。

内生孢子（endospore）是细菌的一种独特细胞形式，具有代谢休眠和对恶劣环境具有极高的抗逆性的特征。某些细菌在极端环境条件下通过形成内生孢子生存下来，并在有利的环境条件下，迅速发芽而进入营养生长状态。孢子被一种蛋白质的、自组装的多层结构包裹，称为孢子衣（spore coat）。据研究表明，枯草芽孢杆菌孢子衣组成中含有70多种蛋白质。这些孢子衣蛋白在孢子衣组装和锚定、抵御恶劣环境和孢子发芽中起着重要作用。尽管这些孢子衣蛋白具有重要意义，但关于它们组装机制的结构信息非常有限。并且细菌孢子，如炭疽芽孢杆菌和艰难梭菌产生的孢子，在人类疾病中发挥重要作用，了解孢子衣的结构和组装具有重要的临床意义。

蛋白质纤维普遍存在，并在各种生命过程中发挥重要作用，如细胞完整性和迁移相关的细胞骨架，人类疾病相关的淀粉样纤维。了解这些纤维的分子结构对于阐明其功能机制至关重要。冷冻电子显微镜（cryo-EM）是一种强大的结构鉴定技术，可用于天然生物样品进行蛋白纤维结构的鉴定。在之前的一项研究中，曹骎课题组利用冷冻电镜鉴定了解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）生物被膜中由胞外多肽酶Vpr形成的蛋白纤维。在这套冷冻电镜镜数据中，研究者还观察到一种宽度为8 nm的蛋白纤维。然而，由于这些纤维紧密聚集成束的特性，其结构并未在之前的研究中得以确定。

在本研究中，曹骎课题组和合作者重新处理了之前的冷冻电镜数据，通过优化颗粒挑选策略和预测可能的纤维对称性，利用少量未集聚成束的纤维实现对其结构的解析，发现这些蛋白纤维是由一种孢子衣蛋白GerQ组成的，GerQ蛋白在芽孢杆菌孢子发芽过程中起到至关重要的作用。然而，GerQ纤维的组装此前尚未报道过，该研究提供了关于GerQ纤维形成的分子见解，有助于对GerQ功能的理解。

图1 GerQ纤维的冷冻电镜结构

GerQ纤维由含有九个GerQ亚基的碗状结构重复堆叠形成的。九亚基碗状结构表现出显著的稳定性，其亚基之间通过β折叠和疏水相互作用连接在一起。相比之下，GerQ的单体形式因疏水表面的暴露而趋于不稳定，而GerQ纤维中九亚基碗状结构的堆叠主要依赖于氢键和长距离盐桥，并不如单个九亚基碗状结构的组装稳定。这些观察结果表明，九亚基结构可能是GerQ在生理环境中的天然构象，而将九亚基结构组装成纤维可能并不是GerQ功能所必需的。分子对接和AlphaFold 3预测显示，九亚基碗状结构适合结合CwlJ，CwlJ是一种由GerQ募集的蛋白质，对Ca2+-DPA诱导的孢子发芽至关重要。该预测结果表明，GerQ和CwlJ之间存在特定且稳定的相互作用，GerQ九亚基结构可能通过为CwlJ提供结合位点募集CwlJ。目前关于GerQ在孢子内的组装状态以及GerQ与CwlJ之间的直接相互作用尚未得到实验验证，有待进一步研究。但该研究结果为GerQ的自组装和GerQ在芽孢杆菌孢子形成及孢子发芽中的功能作用提供了有价值的见解。

图2 GerQ-CwlJ复合物的大分子对接和AlphaFold 3预测

a，由LightDock, HDock和AlphaFold 3预测模型的叠加。GerQ显示为白色（LightDock和HDock）或灰色（AlphaFold 3），CwlJ显示为黄色（LightDock），绿色（HDock）或粉红色（AlphaFold 3）。b & c，LighDock预测模型。GerQ显示为白色（b）或透明（c），CwlJ显示为黄色（b）或库仑势（c）。

上海交通大学Bio-X研究院博士生程乙佳和美国弗吉尼亚大学医学院博士Mark A. B. Kreutzberger为该论文共同第一作者。上海交通大学Bio-X研究院曹骎长聘教轨副教授和美国弗吉尼亚大学医学院Edward H. Egelman教授为该论文共同通讯作者。相关工作得到了来自国家自然科学基金以及科技部的经费支持。