用于乙醇胺利用的蛋白质细胞器的生物发生分子基础

《SCIENCE ADVANCES》：Molecular basis of the biogenesis of a protein organelle for ethanolamine utilization

乙醇胺利用微分隔室（Eut BMCs）的蛋白组装机制及EutQ的关键作用

　　在这项研究中，科学家们聚焦于研究乙醇胺利用微室（Eut BMCs）的分子机制，特别是其在沙门氏菌中的组装过程和功能。乙醇胺是哺乳动物胃肠道中丰富的营养物质，而许多致病菌，如沙门氏菌、梭菌、克雷伯氏菌、李斯特菌、大肠杆菌和肠球菌，都能利用乙醇胺作为碳和/或氮的唯一来源。Eut BMCs在致病菌中发挥着关键作用，它们不仅促进了乙醇胺的代谢，还在肠道炎症中增强了病原体的致病性。然而，尽管Eut BMCs的功能至关重要，其分子机制却一直不明确。

为了深入探讨Eut BMCs的分子基础，研究团队采用了一系列先进的技术和方法，包括遗传学修饰、超分辨率荧光成像、电子显微镜（EM）和生长实验，以分析Eut BMCs的结构和功能。通过这些手段，他们发现EutQ在Eut BMCs的形成和功能中起着关键作用，特别是在将负载酶（cargo enzymes）封装到壳蛋白（shell proteins）中方面。EutQ不仅与壳蛋白相互作用，还可能通过其N末端区域促进壳蛋白和负载酶之间的连接，从而确保负载酶被有效封装。此外，研究还表明，Eut BMCs的组装遵循“壳蛋白优先”的路径，即壳蛋白首先组装，随后负载酶在细胞极部被封装。

在研究中，团队还发现，Eut BMCs的负载酶呈现出液态的组织特征，这种液态行为可能与相分离（phase separation）机制有关。相分离是一种细胞内形成液态囊泡的常见现象，能够帮助蛋白质在特定的微环境中聚集，从而促进其功能。这种机制不仅有助于Eut BMCs的构建和维持，还可能影响其他类型的微室（如β-羧化体）的形成。此外，研究还表明，Eut BMCs的组装过程与Pdu BMCs（另一种沙门氏菌的代谢微室）存在差异，Pdu BMCs的组装可能涉及壳蛋白和负载酶的同时形成，而Eut BMCs则优先形成壳蛋白结构。

通过分析不同Eut蛋白的功能，研究团队揭示了Eut BMCs的组装和功能的复杂性。例如，EutM和EutL被发现是壳蛋白的重要组成部分，而EutQ则在壳蛋白和负载酶之间的连接中发挥关键作用。EutK在确定Eut BMCs的细胞位置中起着重要作用，可能通过其C末端的正电荷区域与细胞内的核苷酸相互作用，从而引导Eut BMCs的定位。此外，EutS虽然被归类为壳蛋白的一部分，但在Eut BMCs的形成中并不像EutM那样关键。

研究还揭示了EutQ的结构特征及其在壳蛋白和负载酶之间相互作用的分子机制。通过AlphaFold预测，EutQ的N末端区域包含四个α螺旋（H1至H4）和一个连接H2与H3的长无序区域。这些结构特征可能影响其与其他蛋白的相互作用。此外，研究团队还利用核磁共振（NMR）和微尺度热泳（MST）等技术，确定了EutQ与负载酶之间的相互作用。这些研究显示，EutQ的H3/H4区域可能与负载酶的N末端封装肽（EPs）结合，从而促进其封装到壳蛋白中。这种结合可能通过氢键和疏水相互作用来稳定。

研究还发现，EutQ的C末端区域具有乙酸激酶活性，这一特性可能使其在Eut BMCs内部发挥能量代谢的功能。此外，EutQ的C末端区域包含一个典型的杯状结构域（cupin barrel fold domain），这一结构在细菌中广泛存在，但通常不与微室相关。这些发现表明，EutQ在Eut BMCs中不仅作为结构蛋白，还可能作为代谢酶，为Eut BMCs内部的代谢活动提供必要的能量支持。

在分析Eut BMCs的组装路径时，研究团队发现，Eut BMCs的形成首先依赖于壳蛋白的组装，随后负载酶在壳蛋白形成的框架上进行组装。这种“壳蛋白优先”的路径与Pdu BMCs的“同时组装”路径不同，也与β-羧化体的“负载酶优先”路径存在显著差异。这种不同的组装路径可能反映了不同细菌在适应环境和代谢需求上的进化策略。

此外，研究团队还探讨了Eut BMCs的动态特性，发现负载酶在微室内部呈现出液态的组织特征，这种动态特性可能通过相分离机制实现。相分离是一种常见的细胞内蛋白组织方式，能够促进蛋白质在特定环境中的高效聚集和功能。这种机制可能在Eut BMCs的形成和维持中起着重要作用，同时也可能影响其他类型的微室。

研究还通过比较基因组学分析，揭示了Eut蛋白在革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌之间的保守性和差异性。Eut蛋白在革兰氏阴性菌中高度保守，而在革兰氏阳性菌中则显示出较低的序列相似性。这种差异可能反映了不同细菌在微室组装机制上的适应性进化。例如，革兰氏阳性菌的EutQ蛋白可能缺少H1至H3的α螺旋，这可能影响其在微室组装中的作用。

通过这些研究，科学家们不仅揭示了Eut BMCs的分子机制，还为理解其他类型的微室提供了新的视角。这些发现对于开发针对病原体的治疗策略具有重要意义，特别是针对那些依赖乙醇胺代谢的病原体。此外，这些研究还可能为合成生物学和生物工程提供理论基础，以便设计和构建人工微室，用于特定的代谢任务或生物合成过程。

总的来说，这项研究通过系统的分子机制分析，揭示了Eut BMCs的结构和功能，为理解细菌如何利用微室进行代谢提供了新的见解。这些发现不仅有助于揭示致病菌在宿主环境中的适应性，还可能为开发新的抗菌策略提供理论依据。