Mechanistic insights into Mtb effector EspB-mediated mitochondrial membrane damage
本研究阐明了结核分枝杆菌效应因子 EspB 通过与线粒体蛋白 Tom70 及脂质形成复合物，从而破坏线粒体完整性，进而诱导宿主细胞死亡的分子机制。
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结核病是一种古老而持久的杀手，由一种擅长躲藏在旨在摧毁它的细胞内部的细菌引起。当被称为巨噬细胞的免疫系统哨兵吞噬这种细菌时，它们通常会将细菌困在一个被称为吞噬体的小型酸性气泡中，并试图将其消化。然而，被称为“结核分枝杆菌”的结核杆菌已经进化出了一种精巧的武器来逃脱这种命运。它利用一种专门的分子注射器将蛋白质注入宿主细胞，破坏陷阱的壁垒，从而让细菌得以在其中自由游走。在这些被注入的蛋白质中，有一种被称为 EspB 的特定效应因子。虽然科学家们已知 EspB 会破坏细胞的“发电厂”——线粒体，并最终导致细胞死亡，但其确切机制一直是个谜。已知 EspB 可以粘附在线粒体的脂肪膜上，但实验表明，仅靠脂质不足以解释该蛋白质如何造成如此严重的损伤。问题在于，细菌是需要一把特定的“钥匙”来打开通往线令体的门，还是仅仅依靠脂肪膜本身就足够了。
来自印度科学理工学院的一个研究小组现在解开了这个谜团，揭示了 EspB 并非单独行动。相反，它的功能就像一个由两部分组成的工具，既需要一个粘性的表面，也需要一个特定的把手才能工作。研究表明，EspB 通过同时抓取两样东西来攻击线粒体：构成线粒体外膜的脂肪脂质和一种名为 Tom70 的特定受体蛋白。Tom70 是细胞中的正常组成部分，通常负责帮助其他蛋白质进入线粒体。研究人员发现，EspB 利用这种蛋白质作为“停靠站”，将其锚定在自己与线粒体的连接上。如果没有与 Tom70 的这种连接，EspB 就无法有效地结合到线粒体上，也无法造成导致细胞死亡的损伤。
为了揭示这一机制，科学家首先从细胞中分离出了 EspB 蛋白和线粒体。他们观察到，当 EspB 与线粒体混合时，它会粘附在表面，导致线粒体膜发生泄漏。然而，当他们使用能够分解表面蛋白质的酶处理线粒体时，EspB 失去了抓地力，无法再有效地结合。这表明存在一个蛋白质受体对于这种相互作用至关重要。为了确定这个缺失的部分，研究团队将蛋白质与线粒体提取物混合，并使用一种称为质谱分析的技术来分析所得的混合物。分析直接指向了 Tom70 作为其主要伙伴。进一步的实验证实，EspB 与 Tom70 紧密结合，其结合强度测定为 131.5 纳诺摩尔，表明这是一种强力且特异性的连接。
随后，研究人员利用一种强大的成像技术——冷冻电子显微镜（它允许科学家在接近原子分辨率的水平下观察分子）来观察这种伙伴关系。他们发现 EspB 形成了一个由七个部分组成的环状结构，当它附着在 Tom7 of 70 上时，受体位于这个环的底部，部分阻塞了中心孔洞。图像显示，这种连接并非僵硬的；Tom70 蛋白可以轻微移动位置，这表明连接是灵活但牢固的。通过构建这两个分子如何相互契合的详细模型，团队确定了 EspB 蛋白上的两个特定位点（位于第 69 位和第 179 位），它们充当了主要的接触点。这些位点与 Tom70 蛋白形成化学键，将两者锁定在一起。
为了证明这些特定接触点至关重要，科学家们创建了改变了这两个位点的 EspB 蛋白突变版本。当他们测试这些突变体时，发现改变后的 EspB 无法再与 Tom70 结合。在作为人类细胞模型的酵母细胞中，正常的 EspB 蛋白通过触发类似于细胞凋亡（即程序性细胞死亡）的过程导致细胞死亡。这种死亡伴随着线粒体产生能量能力的崩溃以及跨膜电位的丧失。然而，当细胞暴露于无法结合 Tom70 的突变 EspB 时，线粒体保持健康，细胞得以存活。这证实了与 Tom70 的相互作用不仅仅是一个副作用，而是允许 EspB 破坏线粒体的关键步骤。
研究结果揭示了感染过程中的一个清晰序列。一旦结核分枝杆菌从巨噬细胞内的初始陷阱中逃脱，它就会向细胞内部释放 EspB。这种蛋白质随后寻找线粒体，利用 Tom70 受体进行锚定。一旦连接成功，该复合物就会破坏线粒体膜，停止能量生产并触发细胞的自毁机制。这种细胞死亡削弱了免疫系统的防御能力，并有助于细菌扩散。研究排除了 EspB 仅通过与膜的脂肪脂质相互作用起作用的可能性；如果没有 Tom70 受体，损伤就不会发生。虽然由于蛋白质的灵活性，研究人员无法确定整个复合物的精确原子结构，但来自多项实验的证据几乎不容置疑地表明，这种伙伴关系是该细菌致命策略的关键。通过了解 EspB 如何钩住 Tom70，科学家现在对结核病如何使人体免疫系统失能有了更清晰的认识，这可能为开发能够阻断这种特定相互作用并拦截细菌的治疗方法开辟新途径。
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