免化所杨海涛团队破解如何操纵细菌导致蚊子“不孕不育”的分子机制

ON2021-10-08文章来源 免疫化学研究所CATEGORY明升体育

10月8日,一支由明升体育,明升体育app免疫化学研究所杨海涛研究员率领的国际研究团队在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America,PNAS)上发表题为“Structural and Mechanistic Insights into the Complexes Formed by Wolbachia Cytoplasmic Incompatibility Factors”的研究论文,破解了科学家如何操纵细菌,导致蚊子“不孕不育”的分子机制。

蚊子叮咬不仅会引起红肿瘙痒,也是疟疾、登革热等多种疾病的主要传播途径。这些疾病每年在全世界造成超过70万人死亡。目前针对大部分蚊媒传染病缺乏特效的药物和疫苗,而利用化学杀虫剂控制蚊子种群数量的传统方法会诱导耐药性蚊虫的产生并对生态环境造成污染,具有很大的局限性,因而蚊媒传染病防治已成为一个世界性的公共卫生难题。近年来,生物防治逐渐成为控制蚊媒疾病传播的热点,而其中利用共生细菌沃尔巴氏菌(Wolbachia)的方法极为有效。

沃尔巴氏菌可以说是自然界中最成功的共生菌:约40%的陆生节肢动物都会被这种细菌感染。其成功的秘密就在于它可以通过多种策略操纵宿主的繁殖,以达到在宿主种群中快速传播的目的。在这些策略中最为常见的是胞质不相容性(Cytoplasmic Incompatibility, CI)。被沃尔巴氏菌感染的雄性昆虫无法与未被感染的雌性产生后代,导致雌性绝育,这种现象即为CI;而被同种沃尔巴氏菌感染的雄性和雌性昆虫则可以正常繁殖,这种现象被称为CI拯救(图1)。利用沃尔巴氏菌感染伊蚊可以诱导产生CI。人们猜测沃尔巴氏菌感染雄蚊后会产生某种因子,改变受精卵发育过程;被感染的雌蚊则含有另一种因子,可以消除雄蚊中CI因子的影响。

虽然在20世纪70年代人们就发现沃尔巴氏菌感染导致CI,但直到2017年,胞质不相容性因子(CI factor, Cif)才终于被人们发现,这类因子由两个蛋白组成,分别被称为胞质不相容性因子A (CifA)和B (CifB),它们编码在细菌基因组的一个类似操纵子的结构中。人们发现,在雄性果蝇中同时表达两种因子,可以产生CI;在雌性果蝇中单独表达CifA,可以拯救CI。针对“胞质不相容性因子是如何工作的”这一问题,人们提出了多种不同的模型。主要的两种模型为宿主修饰模型(host-modification model,HM)和毒素-抗毒素模型(Toxin-antitode model,TA)(图2)。其中,只有毒素-抗毒素模型明确CifA与CifB的结合是拯救CI的关键。随着研究的不断深入,Cif在CI的产生和拯救过程中的作用一直存在广泛争论。

图1.沃尔巴氏菌可以在伊蚊中诱导产生CI。被沃尔巴氏菌感染的雄性蚊子与未被感染的雌性蚊子交配,因产生CI而导致后代无法存活;而被同种沃尔巴氏菌感染的雄性和雌性蚊子交配,可拯救CI,产生携带沃尔巴氏菌的后代。


图2. Host-modification和“Toxin-antidote模型的特点。(A)“Host-modification”模型,Cif蛋白(CifA, CifB 或 CifA+CifB)通过某种方式修饰宿主的精子,好比给精子打上了“条码”,导致CI;在与雌性交配后,卵子中表达的CifA可以中和或者逆转这种修饰,好比存在阅读条码的读码器,能识别这些“条码”,从而拯救CI。(B)Toxin-antidote模型,雄蚊中表达CifB,并且被精子运输到受精卵中,好比给受精卵上了一把“锁”,导致CI;在雌蚊中表达的CifA可与来自雄蚊的CifB相互作用,好比“钥匙”开启对应的“锁”,拯救CI。图中使用彩色表示感染Wolbachia,灰色或者黑色表示未感染。


杨海涛团队对两种主要类型的CI系统进行了全面的结构、生化和功能研究。这两种CI系统包括具有核酸酶活性的家族Cin (CinA、CinB)和具有去泛素化酶活性的家族Cid (CidA、CidB)。研究发现,这两个家族的Cif是通过相同的结合模式发挥功能的(图3A、3B)。CifA与CifB的相互作用界面可以被划分为三个区域(图3C、3D)。基于CifA-CifB复合物结构设计的突变在生化层面破坏了CifA和CifB之间的相互作用,相应地,不能与CinB相互作用的CinA突变体也失去了对蚊虫发生CI的拯救能力。这些实验证实CifA和CifB之间的相互作用对于拯救CI至关重要,与毒素-抗毒素模型的预测相符合。值得一提的是,近期哈佛大学Flaminia Catteruccia 课题组发表于 bioRxiv的文章也证实了在雄性按蚊中单独表达CidB能够单独诱导CI,在雌性按蚊中单独表达CidA能够拯救CI,支持了毒素-抗毒素模型。

这一工作揭示了在沃尔巴氏菌感染蚊虫过程中诱导CI发生和拯救现象的普适分子机制,为在分子水平上理解CI奠定基础(图3C、3D)。对利用沃尔巴氏菌和CI防控蚊媒疾病和农业虫害具有重要意义。


图3. 两种主要类型的Cif的结构及CI产生和拯救的普适模型。 (A) CinA-CinB复合物三维空间结构;(B) CidA-CidBND1-ND2复合物三维空间结构;(C) CifA与CifB相互作用界面可被分为三个区域,当相互作用界面合适,CifA和CifB发生相互作用,拯救CI;(D)CifA与CifB无法产生相互作用时,CifB诱导CI产生。


明升体育,明升体育app与天津大学联合培养博士生肖云杰(现为天津大学生命科学学院博士后)、耶鲁大学Hongli Chen,明升体育,明升体育app与天津大学联合培养博士生王镐锋、耶鲁大学Mengwen Zhang为本文的并列第一作者。明升体育,明升体育app免疫化学研究所杨海涛研究员、天津大学生命科学学院王泽方教授、重庆医科大学生命明升体育app院王炜副教授、耶鲁大学Mark Hochstrasser教授为该研究论文的共同通讯作者。晶体衍射数据收集得到上海同步辐射光源、日本大型同步辐射光源SPring-8和国家蛋白质(上海)设施的帮助。本项研究得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金以及天津市杰出青年科学基金等项目的支持。

原文链接如下:https://doi.org/10.1073/pnas.2107699118