Only Perception: 單一原子控制細菌感染所需要的運動性

2010-01-05

單一原子控制細菌感染所需要的運動性

A single atom controls motility required for bacterial infection
http://www.physorg.com/news181830567.html

January 4, 2010

細菌能利用一種稱為鞭毛（flaggella）的鞭狀延伸部位來游動，將自身推進通過液體。它們也能利用稱為線毛（pili）的纖維狀小腳，沿著固體表面緩步行走。正是這種運動性（motility）讓某些致病細菌能造成傳染 -- 這導致它們的人類宿主生病或甚至死亡。

現在北卡羅來納大學 Chapel Hill 校區的研究者發現單個原子 -- 一個鈣原子 -- 事實上能控制控制細菌如何行走。科學家解析涉及綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）運動的某種蛋白質結構，在這種投機的人類病原體上確認一斑點（譯注，繞射斑點，見下文），若將之封鎖，就能在細菌的軌跡中阻止它。這項發現確認細菌在感染宿主時的關鍵步驟，有朝一日能成為預防傳染的新藥目標。

"當涉及它時，單一個原子就能讓事情大不相同，" 資深研究作者、UNC 化學、生物化學與生物物理學教授 Matthew R. Redinbo, Ph.D. 表示。他的發現出現在 2009 12/28 的 PNAS 早期線上版。

過去幾年來，Redinbo 與他的團隊與 Matthew C. Wolfgang, Ph.D.（微生物學與免疫學助教授，UNC 囊狀纖維化症／肺病研究與治療中心成員）密切合作，試著理解細菌的微小足部，即線毛，如何運作。研究者開始觀察其中一類線毛，稱為第四類線毛（type IV pili）。第四類線毛基本上是長且稠密的纖維，細菌能以相當快的速度組裝（擴張）與分解（收縮）它們。

"這些線毛作用如同爪鉤 -- 細菌將纖維伸出，纖維附著或黏在表面上，接著縮回細菌中將它往前拉，" Wolfgang 說。"這種爬行運動稱為抽動運動性（twitching motility），而且如果沒有它，假單胞菌（Pseudomonas，院內感染性肺炎的常見起因）永遠都無從肺部組織移動進入血流中，在這裡感染將變得致命。"

研究者知道在此細胞內部躺著幾部微小馬達 -- 稱為 ATPases -- 那驅動著線毛的擴張與收縮。其中一個 ATPases 是擴張馬達，那將細菌的腳伸出。其他 ATPases 則為收縮馬達，那將線毛拉回。但並不清楚這兩種馬達如何協調，才不會讓推與拉在同一時間發生。那正是 Redinbo 與 Wolfgang 準備要研究的東西。

首先，他們解析 Pseudomonas PilY1 蛋白質的結晶體結構，其他研究已證實那是創造線毛的必要之物。他們接著大量製造這種蛋白，將它從溶液中引出形成結晶體，接著將結晶體至於強烈的 x 光束下，利用 x 光繞射過程產生一系列斑點。根據這些斑點，研究者計算這個蛋白質的形狀。當他們研究結構時，一處特殊部位 -- 一個鈣原子的結合處 -- 看起來對於這個蛋白的運作相當重要。所以研究者開始調整這個部位，看看這些改變是否會影響蛋白的表現。

當他們改變這個蛋白質，始它不再與鈣結合，細菌就無法製造任何腳出來。當他們愚弄此蛋白，讓它認為它與鈣永遠結合，則細菌能夠製造腳，但無法縮回來，基本上細菌癱瘓了。這些結果指出，此蛋白得要與鈣結合才能製造腳，但它也要讓鈣離開才能把腳收回來。

"我們發現這非常值得注意：將一個原子與一個位於細菌之外的蛋白質結合，就足以區分這些馬達在細胞內部是要停止推進或停止拉回，" Redinbo。他表示他們目前正利用一種遺傳學與生物化學的結合來理解這種「長距離」通訊如何成為可能。

※ 量子馬達？相關報導：

＊ Crystal structure analysis reveals Pseudomonas PilY1 as an essential calcium-dependent regulator of bacterial surface motility
http://www.pnas.org/content/early/2009/12/23/0911616107.abstract

Jillian Orans, Michael D. L. Johnson, Kimberly A. Cogganc,
Justin R. Sperlazza, Ryan W. Heiniger, Matthew C. Wolfgang and
Matthew R. Redinbo
PNAS, Published online before print December 28, 2009,
doi: 10.1073/pnas.0911616107

Several bacterial pathogens require the "twitching" motility produced by filamentous type IV pili (T4P) to establish and maintain human infections. Two cytoplasmic ATPases function as an oscillatory motor that powers twitching motility via cycles of pilus extension and retraction. The regulation of this motor, however, has remained a mystery. We present the 2.1 A resolution crystal structure of the Pseudomonas aeruginosa pilus-biogenesis factor PilY1, and identify a single site on this protein required for bacterial translocation. The structure reveals a modified β-propeller fold and a distinct EF-hand-like calcium-binding site conserved in pathogens with retractile T4P. We show that preventing calcium binding by PilY1 using either an exogenous calcium chelator or mutation of a single residue disrupts Pseudomonas twitching motility by eliminating surface pili. In contrast, placing a lysine in this site to mimic the charge of a bound calcium interferes with motility in the opposite manner -- by producing an abundance of nonfunctional surface pili. Our data indicate that calcium binding and release by the unique loop identified in the PilY1 crystal structure controls the opposing forces of pilus extension and retraction. Thus, PilY1 is an essential, calcium-dependent regulator of bacterial twitching motility.