结核分枝杆菌 VapBC35毒素 - 抗毒素系统的探秘之旅：功能、互作与生存意义

为探究结核分枝杆菌 VapBC35毒素 - 抗毒素（TA）系统功能，研究发现其与压力适应及体内生长相关，意义重大。

　　在神秘的微生物世界里，结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）一直是科学家们重点关注的对象。它引发的结核病，严重威胁着人类的健康。结核分枝杆菌的基因组中蕴含着大量的毒素 - 抗毒素（Toxin-Antitoxin，TA）系统，其中 VapBC 家族更是成员众多。然而，尽管科学家们在 TA 系统的研究领域已经取得了不少进展，但对于大多数 TA 系统在结核分枝杆菌致病过程中所扮演的角色，仍然知之甚少。这就如同在黑暗中摸索，虽然看到了一丝光亮，但周围还有许多未知等待着被揭开。为了深入了解这些神秘的 TA 系统，来自印度转化健康科学与技术研究所（Translational Health Science and Technology Institute）和印度科学研究所（Indian Institute of Science）的研究人员展开了一项重要的研究，他们将目光聚焦在了 VapBC₃₅ TA 系统上。这项研究成果发表在了《Communications Biology》杂志上，为我们认识结核分枝杆菌的生存机制和致病过程提供了新的视角。

研究人员在探索 VapBC₃₅ TA 系统的过程中，运用了多种关键技术方法。在构建突变体和互补菌株时，利用温度敏感型分枝杆菌噬菌体，成功构建出缺失 vapC₃₅或 vapBC₃₅的结核分枝杆菌突变菌株以及相应的互补菌株，这为后续研究该系统在不同条件下的功能变化奠定了基础。通过蛋白纯化技术，对 VapC₃₅、VapB₃₅等多种蛋白进行纯化，为研究蛋白的性质和相互作用提供了纯净的样本。运用微尺度热泳（Microscale Thermophoresis，MST）实验，精确测定了蛋白之间的结合亲和力以及 TA 复合物与启动子的结合情况，从分子层面揭示了其相互作用机制。采用尺寸排阻色谱 - 多角度光散射（Size Exclusion Chromatography-Multi Angle Light Scattering，SEC-MALS）技术，确定了蛋白和 TA 复合物的寡聚状态，让研究人员对其结构有了更深入的认识。

下面来看看具体的研究结果：

• VapC₃₅过表达抑制耻垢分枝杆菌生长并导致细胞伸长：研究人员发现，VapC₃₅具有核糖核酸酶活性，它能够在体外切割 MS2 RNA。当在耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）中过表达 VapC₃₅时，耻垢分枝杆菌的生长受到显著抑制，细菌数量明显减少，同时细胞长度增加。而当共表达其同源抗毒素 VapB₃₅时，这种生长缺陷又能够得到恢复。这就像是给失控的细菌生长按下了 “暂停键”，而 VapB₃₅则是解除暂停的 “钥匙”。
• VapBC₃₅ TA 复合物与启动子结合依赖于毒素 - 抗毒素比例：TA 系统的基因调控十分关键，研究人员通过 MST 实验发现，VapBC₃₅复合物与自身启动子的结合亲和力会随着抗毒素浓度的增加而提高。这表明，VapBC₃₅ TA 复合物能够根据毒素和抗毒素的相对比例，精准地调控自身基因的转录，维持细菌体内的平衡状态。
• 缺失 vapC₃₅或 vapBC₃₅增加结核分枝杆菌对氧化应激的敏感性：为了探究 VapBC₃₅在结核分枝杆菌应对压力中的作用，研究人员构建了缺失 vapC₃₅或 vapBC₃₅的突变菌株。实验结果显示，这些突变菌株在氧化应激条件下的生存能力明显下降，而在其他如亚硝化、营养限制和酸性应激条件下，突变菌株与野生型菌株的生长情况并没有显著差异。这说明 VapC₃₅和 VapBC₃₅在结核分枝杆菌抵抗氧化应激的过程中起着不可或缺的作用。
• VapC₃₅和 VapBC₃₅对结核分枝杆菌在豚鼠体内建立疾病并非必需：以往研究表明，部分 VapBC TA 系统对结核分枝杆菌在动物体内建立感染至关重要。但此次研究发现，尽管缺失 vapC₃₅或 vapBC₃₅的菌株对氧化应激更为敏感，但在巨噬细胞和豚鼠感染实验中，这些突变菌株与野生型菌株在生长和组织损伤方面并没有明显差异。这一结果暗示，在结核分枝杆菌体内，可能存在功能冗余的 TA 系统，它们共同协作维持细菌在宿主体内的生存。
• VapC₃₅毒素与非同源 VapB₃抗毒素相互作用：研究人员通过共表达实验发现，非同源抗毒素 VapB₃能够恢复因 VapC₃₅过表达导致的耻垢分枝杆菌生长缺陷。进一步的 SEC-MALS 和 MST 实验也证实了 VapC₃₅与 VapB₃之间存在相互作用，这表明不同 TA 系统之间可能存在复杂的调控网络。
• 全长 VapBC 复合物在溶液中呈现多种寡聚状态：利用 SEC-MALS 技术，研究人员发现 VapBC 复合物的寡聚状态会随着抗毒素和毒素的化学计量比变化而改变，既可以形成异源六聚体，也可以形成异源八聚体。这种多变的结构可能与 TA 系统的功能多样性密切相关。
• 同源和非同源 TA 系统的热稳定性和结合研究：热变性实验表明，VapBC₃₅复合物的热稳定性比游离的毒素或抗毒素更高，并且随着抗毒素浓度的增加，复合物的稳定性进一步增强。MST 实验还发现，VapC₃₅与 VapB₃₅的结合亲和力较高，与非同源抗毒素 VapB₃也能结合，但与其他非同源抗毒素则无明显相互作用。

综合研究结果和讨论部分，这项研究首次对结核分枝杆菌的 VapBC₃₅ TA 系统进行了详细的功能和生物物理表征。研究表明，VapC₃₅的诱导表达对耻垢分枝杆菌具有抑菌作用，并且这种作用可以被同源抗毒素 VapB₃₅和非同源抗毒素 VapB₃逆转。虽然 VapBC₃₅对结核分枝杆菌适应氧化应激至关重要，但在体内生长过程中却并非必需，这一现象揭示了 TA 系统之间可能存在功能冗余。此外，研究还发现了 VapBC₃₅复合物的多种寡聚状态以及不同 TA 系统之间的相互作用，这为深入理解结核分枝杆菌的调控网络提供了重要线索。未来，研究人员计划构建多个缺失突变体，进一步探究 TA 系统在结核分枝杆菌致病过程中的累积作用，这将为开发针对结核病的新型治疗策略提供更坚实的理论基础。