大腸桿菌之死:看AFM視角下的補(bǔ)體蛋白如何破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)
導(dǎo)言
作為先天免疫系統(tǒng)(innate immune system)的子系統(tǒng),補(bǔ)體系統(tǒng)蛋白(complement proteins) 通過(guò)在菌外膜打孔(membrane attack complex,MAC)來(lái)清除革蘭氏陰性菌。不過(guò)這些MAC蛋白孔如何進(jìn)一步破壞細(xì)胞壁和內(nèi)膜結(jié)構(gòu),最終導(dǎo)致細(xì)菌溶脹、裂解、死亡,其細(xì)節(jié)仍有諸多不明。而來(lái)自倫敦大學(xué)學(xué)院的生物物理學(xué)教授Bart W Hoogenboom 與其團(tuán)隊(duì), 使用多款來(lái)自布魯克的原子力顯微鏡(NanoWizard,NanoWizard ULTRA Speed, Bioscope Resolve & Dimension FastScan),在納米尺度上對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了高分辨率下連續(xù)觀測(cè)。
為了破壞革蘭氏陰性菌的細(xì)胞包被以達(dá)到清除血液中細(xì)菌的目的,補(bǔ)體系統(tǒng)會(huì)通過(guò)5種蛋白C5-C9在菌細(xì)胞外膜上形成蛋白孔。大致過(guò)程如圖一A所示,C5蛋白經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換酶催化生成C5b,與C6-8 另外三種蛋白逐步吸附到細(xì)菌外膜(OM),并作為錨點(diǎn)與多份C9蛋白在外膜上形成突出狀MAC孔結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)活的大腸桿菌添加C5-C9蛋白后,使用AFM即可觀察到外膜上這些MAC蛋白孔(圖一B )。盡管此時(shí)細(xì)菌外膜上已有密密麻麻的穿孔(圖一C),但環(huán)境中所添加的熒光染料并未進(jìn)入細(xì)胞中,顯示此刻細(xì)菌內(nèi)膜仍然具有功能完整性(圖一D)。
圖一 細(xì)菌外膜盡管收到MAC孔的攻擊,但仍能抵抗補(bǔ)體介導(dǎo)的細(xì)胞裂解
隨著時(shí)間的推移,菌膜的結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步破壞,如圖二B所示,AFM相圖中MAC單孔結(jié)構(gòu)伴隨著時(shí)間逐漸模糊,而高度圖顯示的表面粗糙度亦逐漸增大。與此伴隨是在實(shí)驗(yàn)開始的35分鐘后AFM所測(cè)量的細(xì)菌也具有了明顯的熒光信號(hào),顯示細(xì)胞內(nèi)膜的通透性已發(fā)生了明顯變化。
圖二 內(nèi)膜滲透性增加與細(xì)菌表面不穩(wěn)定性相關(guān)
而圖三則展示了此過(guò)程膜結(jié)構(gòu)變化的更多細(xì)節(jié)。圖三C&D 顯示在測(cè)試前2分鐘和0分鐘的時(shí)間點(diǎn)上,所測(cè)細(xì)胞的熒光信號(hào)。而圖三B來(lái)自于對(duì)該細(xì)菌所進(jìn)行的視頻級(jí)AFM快掃數(shù)據(jù),可注意到在截取的8個(gè)時(shí)間點(diǎn)上,除突出的MAC孔結(jié)構(gòu)外,細(xì)胞表面的缺陷面積亦越來(lái)越大。
圖三 補(bǔ)體作用導(dǎo)致細(xì)菌表面逐漸形成缺陷
隨著細(xì)胞膜通透性的變化,在滲透壓的驅(qū)動(dòng)下,細(xì)菌開始發(fā)生明顯的溶脹,正如圖四A&B 中AFM高度圖結(jié)果所展示的狀況。在大量細(xì)胞外溶液涌入后,細(xì)菌胞體進(jìn)一步硬化(圖四C)。此滲透壓失衡下的膨脹過(guò)程最終導(dǎo)致了細(xì)菌的裂解與死亡。
圖四 補(bǔ)體作用導(dǎo)致細(xì)胞在溶解前發(fā)生溶脹和硬化
如圖五所示,在革蘭氏陰性活細(xì)菌中,外膜(頂部表面)和細(xì)胞壁(肽聚糖網(wǎng)絡(luò);綠色)一直承受著膨脹壓力(紅色和橙色箭頭所示)。而外膜上的MAC(黃色)蛋白孔開始逐步破壞細(xì)胞壁和外膜結(jié)構(gòu)的完整性,并在膨脹壓力下使得外膜缺陷進(jìn)一步惡化。而內(nèi)膜(底部表面)在這個(gè)過(guò)程中被拉伸,導(dǎo)致滲透性增加,細(xì)胞最終裂解死亡。

圖五 補(bǔ)體系統(tǒng)誘導(dǎo)細(xì)菌死亡機(jī)理
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