低温em和蛋白质核磁共振3D快照揭示了细菌Tc毒素的复杂作用机制

细菌毒素一种由细菌制造的有害且常常致命的物质，细菌毒素操纵宿主细胞的功能并破坏生物体中重要的细胞过程细菌毒素会攻击宿主生物最痛苦的地方，促进动物和人类的感染和疾病。新的发现不仅揭示了Tc毒素的致命货物是如何促使细胞骨架崩溃的，而且为这种毒素的高效率提供了解释。

只需千分之一毫克的细菌肉毒杆菌毒素就可以杀死一个活的有机体。这种毒素通过阻止神经细胞附着在肌肉上的神经递质释放，从而使肌肉瘫痪，从而发挥其致命作用。这个过程看起来很简单，但实际上是一个复杂的多阶段过程。同样复杂和事实上非常有效的是毒素复合物(Tc)的中毒过程，许多细菌的毒力因子，包括昆虫和人类病原体。

细菌注射器会释放致命的酶

多特蒙德MPI结构生物学Stefan Raunser团队的工作在很大程度上揭示了Tc毒素的作用机制。Raunser说:“通过低温电子显微镜(冷冻- em)揭示Tc毒素亚基的结构及其组装，使我们能够理解毒素激活和膜穿透的关键步骤。”科学家们展示了Tc毒素复合物的亚基像注射器一样一起工作:一旦亚基组装好，复合物的结构变化会触发茧的打开，茧中含有一种有毒的酶，然后通过一个通道分泌出一种独特的注射机制进入宿主细胞。在那里，它通过干扰细胞骨架的调控，展现出其致命的作用。细胞骨架由聚合的肌动蛋白(f -肌动蛋白)丝组成，参与许多重要的细胞过程。

通过减少攻击距离来设置对手

“很长一段时间以来，我们一直在努力获得中毒过程的完整图像，因为我们缺乏分泌酶的结构数据，其中之一是TccC3，”Raunser反映说。直到最近，人们只知道TccC3转移adp核糖基团到肌动蛋白上，促进其异常聚合，导致肌动蛋白丝结块。Hartmut Oschkinat说:“TccC3是我们所说的结构研究的“困难”系统，因为它的规模和高度灵活性。”“只有通过应用核磁共振溶液，我们才能克服这一挑战，并首次可视化蛋白质的3D结构。”通过融合两张TccC3与f -肌动蛋白结合以及单独修饰的f -肌动蛋白的冷冻电镜快照，科学家们已经揭示了这种酶独特的作用机制。Stefan Raunser说:“TccC3的行为就像一个拳击手，他给对手设下圈套，让他容易受到攻击。”在第一步中，酶结合到f -肌动蛋白两个连续的肌动蛋白亚基之间的区域。然后，TccC3打开一个通道，将包含adp核糖的分子NAD+带到肌动蛋白上的一个反应位点。一旦体积庞大的adp核糖转移到f -肌动蛋白上，其解聚因子就无法接近它，因此f -肌动蛋白就无法被分解，从而结块。

除了这一发现，科学家们的发现还有助于解释这种酶的惊人高效率。当酶与f -肌动蛋白分离时，它的“门”机制阻止了与已经修饰过的肌动蛋白无用的重新结合，为下一次攻击做准备。“令人惊讶的是，所有这些机制是如何进化到将毒素的效力提高到最大的。大自然做了相当好的工作，因为肉毒毒素、蓖麻毒素和其他生物毒素仍然被认为是已知的毒性最大的物质，”Raunser总结道。