神秘的微生物蛋白家族劫持作物的细胞管道
许多破坏农作物并威胁我们食物供应的细菌使用一种共同的策略来引起疾病：它们将有害蛋白质的混合物直接注入植物细胞中。
25 年来，生物学家何胜阳和他的高级研究员Kinya Nomura一直对这组分子感到困惑，植物病原体利用这些分子引起全球数百种农作物(从水稻到苹果树)的疾病。
现在，由于三个合作研究小组的共同努力，他们可能最终找到了这些分子如何使植物生病的答案，以及解除它们武装的方法。
研究结果发表在 9 月 13 日的《自然》杂志上。
He 实验室的研究人员研究了这种致命混合物中的关键成分，这是一种名为 AvrE/DspE 的注射蛋白家族，它会引起从豆类褐斑病、西红柿细菌斑点到果树火疫病等多种疾病。
自从 20 世纪 90 年代初发现以来，这个蛋白质家族就引起了植物病害研究人员的极大兴趣。它们是细菌武库中的关键武器;在实验室中消灭它们可以使原本危险的细菌变得无害。但是，尽管经过数十年的努力，有关其工作原理的许多问题仍未得到解答。
研究人员在 AvrE/DspE 家族中发现了许多蛋白质，这些蛋白质可以抑制植物的免疫系统，或者在植物的叶子上引起黑色的水浸斑点——这是感染的第一个迹象。他们甚至知道连接形成蛋白质的氨基酸的基本序列，就像绳子上的珠子一样。但他们不知道这串氨基酸是如何折叠成 3D 形状的，因此他们无法轻易解释它们是如何工作的。
部分问题在于该家族的蛋白质数量巨大。而细菌蛋白质的平均长度可能为 300 个氨基酸;AvrE/DspE 家族蛋白为 2000。
研究人员一直在寻找具有相似序列的其他蛋白质来寻找线索，但没有发现具有任何已知功能的蛋白质。
“它们是奇怪的蛋白质，”他说。
因此，他们求助于 2021 年发布的一款名为 AlphaFold2 的计算机程序，该程序使用人工智能来预测给定的氨基酸串将呈现的 3D 形状。
研究人员知道这个家族的一些成员帮助细菌逃避植物的免疫系统。但他们对蛋白质 3D 结构的第一印象表明了其还有额外的作用。
“当我们第一次看到这个模型时，它与我们想象的完全不一样，”该研究的共同作者、杜克大学生物化学教授周培说，他的实验室对这一发现做出了贡献。
研究人员研究了人工智能对感染梨、苹果、西红柿和玉米等作物的细菌蛋白的预测，结果都指出了类似的 3D 结构。它们似乎折叠成一个小蘑菇，其茎呈圆柱形，就像一根吸管。
预测的形状与使用冷冻电子显微镜捕获的导致果树火疫病的细菌蛋白质图像非常吻合。从上往下看，这种蛋白质看起来非常像一根空心管。
这让研究人员思考：也许细菌利用这些蛋白质在植物细胞膜上打孔，在感染过程中“迫使宿主喝水”，他说。
一旦细菌进入叶子，它们首先遇到的区域之一就是细胞之间称为质外体的空间。通常，植物保持该区域干燥，以便进行光合作用的气体交换。但当细菌入侵时，叶子内部就会被水浸湿，为细菌创造一个潮湿舒适的避风港，供它们进食和繁殖。
对预测的火疫病蛋白 3D 模型的进一步检查表明，虽然稻草状结构的外部是防水的，但其中空的内核对水具有特殊的亲和力。
为了验证水通道假说，该团队与杜克大学生物学教授Ke Dong和共同第一作者Felipe Andreazza(她实验室的博士后)联手。他们将细菌蛋白 AvrE 和 DspE 的基因读数添加到青蛙卵中，利用卵作为制造蛋白质的细胞工厂。将鸡蛋放入稀盐溶液中，很快就会膨胀并因过多的水而破裂。
研究人员还试图看看是否可以通过阻断这些细菌蛋白的通道来解除它们的武装。野村专注于一类名为 PAMAM 树枝状聚合物的微小球形纳米粒子。这些树枝状聚合物在药物输送领域已使用了二十多年，可以在实验室中制造出精确的直径。
“我们正在修改一个假设，如果我们找到合适直径的化学物质，也许我们可以堵塞毛孔，”他说。
在测试了不同大小的颗粒后，他们发现了一种他们认为可能正好适合干扰火疫病病原体火疫病菌产生的水通道蛋白的颗粒。
他们取出经过改造的青蛙卵来合成这种蛋白质，并将 PAMAM 纳米粒子浸泡在青蛙卵中，水就停止流入卵中。他们没有肿胀。
他们还处理了感染丁香假单胞菌病原体的拟南芥植物，这种病原体会引起细菌斑点。通道阻断纳米粒子阻止了细菌的生长，将植物叶子中的病原体浓度降低了 100 倍。
这些化合物也能有效对抗其他细菌感染。研究人员对接触引起火疫病细菌的梨果做了同样的事情，这些水果从未出现任何症状——细菌不会使它们生病。
他说：“虽然希望渺茫，但它确实有效。” “我们对此感到兴奋。”
研究人员表示，这些发现可能为许多植物病害提供新的治疗方法。
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