《Nature》揭示炭疽毒素的秘密通道

大家对“炭疽”这个名字或许不陌生，它曾因作为生物武器而引起过广泛关注，甚至被许多影视作品描绘过。炭疽分枝杆菌的致病机制主要依赖于三种毒素：保护抗原（PA）、致死因子（LF）和水肿因子（EF）。这些毒素能够严重影响人体健康，甚至导致死亡。保护抗原（PA）在这其中有着特殊的地位，它不仅是炭疽疫苗的核心成分，还是治疗炭疽感染的关键靶点。

加州大学洛杉矶分校（UCLA）的周正洪教授团队通过冷冻电镜技术（cryo-EM），揭示了保护抗原孔的原子级结构，打开了我们理解毒素如何进入细胞的新大门。这项研究不仅为我们探索炭疽的致病机制提供了重要线索，也为蛋白质转运机制的研究提供了宝贵的视角。该文章于2015年5月28日发表在《Nature》上。

保护抗原（PA）在感染过程中扮演了重要角色。它首先形成一个名为“前孔（prepore）”的多聚体结构，当细胞内的酸性环境（低pH）激活它时，前孔结构转变成一个穿透细胞膜的孔。这些孔可以将致死因子和水肿因子等毒素传送到细胞内，破坏细胞功能。

为了更好地理解这个转运过程，研究人员们决定通过冷冻电镜（cryo-EM）技术，以超高分辨率探究PA孔的具体结构（图1）。他们通过对PA孔进行详细的分析，发现了一个至关重要的结构——Φ夹（Φ-clamp），它帮助蛋白质穿越PA孔，进入细胞。

在这项研究中，研究人员利用冷冻电镜技术以2.9Å的分辨率重建了PA孔的结构（图2）。这项研究揭示了PA孔的详细原子结构，显示了PA孔具有“花朵-茎”型的架构，包括花冠、萼片和茎部。在PA孔中，不同的结构域（域1'、2、3和4）以不同的方式组成了这个孔的不同部分。例如，域1'和2c形成一个紧凑的结构，负责绑定和传送底物蛋白，而域3位于外围，起到支撑作用。

在PA孔的核心部分，Φ夹发挥着关键作用。研究人员发现，PA孔的内径在不同位置有所不同，从入口处的30Å到Φ夹处仅为6Å，正好足以让未折叠的多肽通过。这一结构特点支持了“布朗运动棘轮模型”（Brownian ratchet model），即通过电荷状态变化，推动多肽在不同酸碱环境下的单向转运。

PA孔的转运通道呈漏斗形，可以根据孔道的直径分为四个部分：口部（mouth）、Φ夹（Φ-clamp）、喉部（throat）和管道（tube）（见图3a, b）。

通道的内表面带有负电荷，主要由亲水性氨基酸构成，利于底物蛋白的通过。此外，在通道的某些区域，还可以看到疏水性氨基酸的存在，这些区域可能有助于PA孔稳定地插入细胞膜。

研究人员还发现，PA孔的通道设计非常独特，与其他细菌毒素的孔道结构相比，PA孔的β桶长达105Å，约为其他毒素的两倍，这可能有助于致死因子和水肿因子的转运。

PA孔的功能不仅仅是形成一个跨膜通道，它还需要能够精确控制特定分子能够通过，并且在特定条件下打开或关闭。通过以下几个步骤，PA孔实现了其转运功能：

接下来，将为大家进一步详细介绍以上的机制与步骤。

Φ夹是PA孔的一个重要结构，位于孔道的瓶颈处（图4）。由每个PA亚单位的芳香氨基酸Phe427组成，它们通过芳香族CH-π相互作用紧密连接在一起。这些Phe427残基形成了一个“弹性O形环”，可以根据不同的氨基酸侧链调整孔径大小，从而有效地控制蛋白质的转运。

实验结果表明，PA孔的转运机制依赖于Φ夹的完整性。如果Phe427中的任何一个残基发生突变，PA孔的转运效率将大幅下降。因此，可以想象，Φ夹在PA孔中的作用类似于一个“阀门”，它不仅可以改变孔的开合状态，还能确保转运过程中不同分子得以顺利通过。

PA孔的形成需要酸性环境（低pH）的激活。当PA从前孔转化为孔道时，特定的结构经历了三个层次的构象变化（图5）：

通过这项研究，研究人员不仅揭示了PA孔的结构，还深入探讨了它在细胞毒素转运中的作用。这一研究为我们理解细胞膜上蛋白质转运的普遍机制提供了宝贵的参考，同时也为抗炭疽药物的开发提供了新的靶点。PA孔作为一种理想的蛋白质转运模型系统，将继续推动我们对细胞内外物质传输机制的深入探索。

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