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大腸桿菌之死:看AFM視角下的補體蛋白如何破壞細胞膜結構

來源:瑞科和利(北京)科技有限公司   2025年03月12日 16:05  

導言


作為先天免疫系統innate immune system)的子系統,補體系統蛋白(complement proteins) 通過在菌外膜打孔(membrane attack complex,MAC)來清除革蘭氏陰性菌。不過這些MAC蛋白孔如何進一步破壞細胞壁和內膜結構,最終導致細菌溶脹、裂解、死亡,其細節(jié)仍有諸多不明。而來自倫敦大學學院的生物物理學教授Bart W Hoogenboom 與其團隊, 使用多款來自布魯克的原子力顯微鏡(NanoWizard,NanoWizard ULTRA Speed, Bioscope Resolve & Dimension FastScan),在納米尺度上對這一過程進行了高分辨率下連續(xù)觀測。



實驗結果

為了破壞革蘭氏陰性菌的細胞包被以達到清除血液中細菌的目的,補體系統會通過5種蛋白C5-C9在菌細胞外膜上形成蛋白孔。大致過程如圖一A所示,C5蛋白經過轉換酶催化生成C5b,與C6-8 另外三種蛋白逐步吸附到細菌外膜(OM),并作為錨點與多份C9蛋白在外膜上形成突出狀MAC孔結構。實驗中對活的大腸桿菌添加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 )。盡管此時細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入細胞中,顯示此刻細菌內膜仍然具有功能完整性(圖一D)。

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圖一 細菌外膜盡管收到MAC孔的攻擊,但仍能抵抗補體介導的細胞裂解



隨著時間的推移,菌膜的結構被進一步破壞,如圖二B所示,AFM相圖中MAC單孔結構伴隨著時間逐漸模糊,而高度圖顯示的表面粗糙度亦逐漸增大。與此伴隨是在實驗開始的35分鐘后AFM所測量的細菌也具有了明顯的熒光信號,顯示細胞內膜的通透性已發(fā)生了明顯變化。

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圖二 內膜滲透性增加與細菌表面不穩(wěn)定性相關



而圖三則展示了此過程膜結構變化的更多細節(jié)。圖三C&D 顯示在測試前2分鐘和0分鐘的時間點上,所測細胞的熒光信號。而圖三B來自于對該細菌所進行的視頻級AFM快掃數據,可注意到在截取的8個時間點上,除突出的MAC孔結構外,細胞表面的缺陷面積亦越來越大。

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圖三 補體作用導致細菌表面逐漸形成缺陷



隨著細胞膜通透性的變化,在滲透壓的驅動下,細菌開始發(fā)生明顯的溶脹,正如圖四A&B 中AFM高度圖結果所展示的狀況。在大量細胞外溶液涌入后,細菌胞體進一步硬化(圖四C)。此滲透壓失衡下的膨脹過程最終導致了細菌的裂解與死亡。

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圖四 補體作用導致細胞在溶解前發(fā)生溶脹和硬化



結論

如圖五所示,在革蘭氏陰性活細菌中,外膜(頂部表面)和細胞壁(肽聚糖網絡;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胞壁和外膜結構的完整性,并在膨脹壓力下使得外膜缺陷進一步惡化。而內膜(底部表面)在這個過程中被拉伸,導致滲透性增加,細胞最終裂解死亡。


圖片

圖五 補體系統誘導細菌死亡機理



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