大腸桿菌之死:看AFM視角下的補體蛋白如何破壞細胞膜結(jié)構(gòu)
導言
作為先天免疫系統(tǒng)(innate immune system)的子系統(tǒng),補體系統(tǒng)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(nèi)膜結(jié)構(gòu),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。
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(tǒng)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(jīng)過轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。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(nèi)膜仍然具有功能完整性(圖一D)。
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(jié)構(gòu)被進一步破壞,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(nèi)膜的通透性已發(fā)生了明顯變化。
圖二 內(nèi)膜滲透性增加與細菌表面不穩(wěn)定性相關(guān)
而圖三則展示了此過程膜結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù),可注意到在截取的8個時間點上,除突出的MAC孔結(jié)構(gòu)外,細胞表面的缺陷面積亦越來越大。
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(qū)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(jié)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。
圖四 補體作用導致細胞在溶解前發(fā)生溶脹和硬化
如圖五所示,在革蘭氏陰性活細菌中,外膜(頂部表面)和細胞壁(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一步惡化。而內(nèi)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。

圖五 補體系統(tǒng)誘導細菌死亡機理
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