3篇Cell！突破！王冯斌等发现细胞外细胞色素纳米线似乎在原核生物中普遍存在

来自厌氧细菌硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）的导电附属物最近被鉴定为细胞外细胞色素纳米线(ECNs)，由于具有许多潜在的应用前景而受到广泛关注。然而，其他生物是否使用类似的ECNs进行电子转移仍然未知。

2023年6月7日，美国弗吉尼亚大学王冯斌、Edward H. Egelman及法国巴斯德研究所Mart Krupovic共同通讯在Cell 在线发表题为“Extracellular cytochrome nanowires appear to be ubiquitous in prokaryotes”的研究论文，该研究表明细胞外细胞色素纳米线似乎在原核生物中普遍存在。

该研究使用冷冻电镜描述了来自深海热液喷口和陆地温泉中存在的两个主要超嗜热古菌的两个ECN的原子结构。Archaeoglobus veneficus ECN的同系物广泛存在于嗜温甲烷氧化的甲烷菌科、烷烃降解的合成滋养古菌和最近描述的称为Borgs的巨型质粒中。ECN蛋白亚基在其折叠中缺乏相似性；然而，它们具有共同的血红素排列，表明进化优化的血红素堆积以实现有效的电子转移。在古菌中检测到ECN表明，含有紧密堆叠的血红细胞的细丝可能是在生命的两个原核领域中长距离电子转移的常见且广泛的机制。

另外，2022年3月23日，弗吉尼亚大学Edward H. Egelman及法国巴斯德研究所Mart Krupovic（王冯斌为第一作者）在Cell 在线发表题为“Spindle-shaped archaeal viruses evolved from rod-shaped ancestors to package a larger genome”的研究论文，该研究确定了硫化叶单尾病毒 1 的衣壳的原子结构，这种病毒会感染生活在几乎沸腾的酸中的宿主。一种高度疏水的蛋白质，可能在病毒粒子组装之前整合到宿主膜中，形成 7 条链，在尾部和纺锤体中相互滑过。该研究观察到尾管扩张时发生的离散步骤，这是由于直径发生了显著变化，但仍与相邻亚基保持高度保守的准等效相互作用。该研究结果显示螺旋组件如何改变它们的直径，变得接近球形以包装更大的基因组，并表明所有纺锤形病毒是如何从古细菌棒状病毒进化而来的（点击阅读）。

2019年5月20日，弗吉尼亚大学Egelman教授，王冯斌博士和他们的合作实验室(法国巴斯德研究所的David Prangishvili和Mart Krupovic课题组)在Nature Microbiology上发表题为“Structure of An extensively glycosylated archaeal pilus survives extreme conditions”的文章，该研究在没有任何菌毛蛋白序列的信息的前提下，凭借cryo-EM分辨率达到4.1Å的成像，直接建立了完整的的原子S. islandicus菌毛模型。这波操作怎么形容呢，可以说是相当于越了三个塔，直接在温泉强杀了敌方英雄。另外该研究还发现S. islandicus菌毛不仅不怕高温，哪怕把该菌毛放在5M的盐酸胍里加热到100度°C半小时，它也依然“微微一笑”完好如初（点击阅读）。

2019年4月5日，弗吉尼亚大学Egelman教授，王冯斌博士和他们的合作实验室(Yale的Malvankar课题组和UC Irvine的Hochbaum课题组)在Cell上发表题为“Structure of Microbial Nanowires reveals stacked hemes that transport electrons over micrometers”的文章，该研究建立了完整的地细菌纳米线的原子模型，分辨率达到3.7Å。令人惊叹的是，研究人员发现组成纳米线的并不是type IV pilin，而是整个纳米线都由一种C型细胞色素蛋白OmcS构成。这是科学家们第一次发现细胞色素能够形成类似菌毛的结构。这种结构解释了土壤细菌将电子传输到远程电子受体以进行呼吸和能量共享的显着能力（点击阅读）。

在缺氧环境中，从水生沉积物到人类肠道，呼吸细菌自然地将电子传递到其外膜以外的微米级距离，到遥远且不溶的终端电子受体。据推测，远程电子转移在早期地球上的微生物代谢中起着重要作用，当时铁作为Fe(II)是最容易获得的过渡金属，由于在低氧水平下存在少量的Fe(III)， Fe(III)是一个潜在的电子受体铁(III)可能以赤铁矿或磁铁矿的形式存在，因此需要细胞外纳米线的存在，以便不同的铁(III)化合物可以用作终端电子受体。其他受益于细菌纳米线的过程包括直接种间电子转移(DIET)，它为不同厌氧微生物群落中不同物种之间的能量耦合铺平了道路，例如，最近的报道表明，纳米线介导的DIET在某些厌氧消化器中普遍存在，并且可以为将CO2还原为CH4提供电子。此外，据报道，微生物纳米线介导的DIET也有助于关键的环境过程，然而，长距离电子转移的分子基础只在土壤细菌硫还原地杆菌中被确定。

硫还原地杆菌作为一种模式生物被广泛研究，以了解导电胞外纳米线的结构和功能。关于细胞外电子转移(EET)的导电丝状附属物的身份一直是一个活跃的争论话题。随着冷冻电镜(cryo-EM)的主要技术进步，已经证明硫还原地杆菌中的微生物纳米线是聚合的丝状细胞外细胞色素，含有OmcS、OmcE或OmcZ。另一方面，这些细胞外细丝是直径3纳米的“e-菌毛”，只包含IV型菌毛的N端链，PilA-N，现在已经被PilA细丝的实际结构所推翻，表明它是由两条链组成的，与电子传输不相容。

机理模式图（图源自Cell ）

多血红素C型细胞色素OmcS、OmcE和OmcZ的蛋白质结构为80%的环状结构，缺乏广泛的二级结构和保守的结构折叠。然而，比较聚合丝中的血红素排列，这三种细胞外细胞色素纳米线(ECNs)属于两种不同的类别。OmcE和OmcS的血红素排列非常相似，它们的血红素通过蛋白质屏蔽层与溶剂绝缘，这与纳米线将细胞与附近的金属氧化物颗粒连接起来的模型是一致的。

相比之下，OmcZ具有完全不同的血红素排列，每个亚基除了血红素的线性链外，还包含一个分支的溶剂暴露血红素，因此OmcZ细丝网络可以形成具有多种电子流动路径的导电生物膜。由于在原核生物基因组中发现了大量的多血红素细胞色素，并且观察到血红素排列的显著差异，因此导电ECNs可能在进化过程中多次出现，并且假设除硫还原地杆菌外的物种也可以产生ECNs。虽然预测由甲烷营养古菌编码的多血红素细胞色素介导DIET，但到目前为止还没有证据表明在硫还原地杆菌之外存在ECN。

该研究验证了ECNs不局限于硫还原地杆菌的假设，并在生命的第二个原核领域，古细菌中发现了这样的细丝。利用冷冻电镜测定了两种超嗜热古细菌—Pyrobaculum calidifontis和Archaeoglobus veneficus的细胞外细胞色素丝的原子结构。观察结果表明，在不同的微生物群落中，ECNs可能普遍存在于原核结构域和介导远程EET。

原文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00531-7

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！