致病细菌如何利用分子拟态破坏细胞的蛋白质构建工厂

分子生物学的中心法则假设，脱氧核糖核酸(DNA)分子内编码的信息包首先转录为信使核糖核酸(mRNA)分子，然后翻译/解码以生成称为蛋白质的分子。

蛋白质是必需的生物分子，由多个称为氨基酸的较小亚基组成。这些氨基酸通过肽键缝合在一起，并影响蛋白质作为其氨基酸部分的总和最终呈现的形状、大小和电荷分布。

细胞要制造蛋白质，需要解码mRNA(核酸)的语言，并将其翻译成蛋白质(氨基酸)的语言。这个过程在分子生物学教科书中被交替地描述为mRNA翻译或蛋白质合成。

在细胞内部，翻译是由称为核糖体的分子解码中心进行的。核糖体本身由数十种蛋白质和RNA组成。此外，许多其他调控因素与核糖体相关，有助于使翻译过程快速、准确和可调。事实上，如果数一下参与这一过程的蛋白质数量，就会超过100个——是的，制造一个蛋白质需要100多个蛋白质!因此翻译过程极其消耗能量和资源，反映出它对细胞的巨大重要性。

在翻译过程中，促进解码的关键分子称为tRNA(转移RNA)。tRNA是既了解核酸语言又了解蛋白质语言的“翻译者”。tRNA将氨基酸(蛋白质构建块)带到匹配的mRNA序列(称为密码子)上，而核糖体沿着mRNA的长度移动，同时将氨基酸缝合在一起。因此，核糖体-tRNA复合物将一种语言翻译成另一种语言，执行蛋白质合成的关键步骤。

与任何过程一样，细胞会尽力保持蛋白质合成的效率和精确度。事实上，许多不同细胞中的测量已经确定蛋白质通常以每秒约6个氨基酸的平均速度高精度合成。

病原体以蛋白质合成为目标。

包括病毒、细菌和真菌在内的许多病原体已经进化出直接针对其感染细胞中的蛋白质合成机制的机制。这使得病原体能够繁殖，破坏宿主细胞的防御，并最终调节宿主细胞的裂解，以便后代可以被释放以进行进一步的感染。

在这些受感染的细胞中，构成蛋白质的氨基酸链的延长并不以均匀的速度进行，导致核糖体在正在翻译的mRNA的特定位置堆积，宿主细胞蛋白质合成的速度下降。打个比方，想象一下高速公路上高峰时段的交通，其中汽车是核糖体，柏油路是mRNA的长度。由于发生了一起不幸的事件，汽车开始在高速公路上堆积，交通速度减慢。

过去的证据表明，一种名为嗜肺军团菌的病原菌会在其感染的细胞中引起类似的反应——宿主细胞蛋白质合成率降低和核糖体在mRNA上的暂停，即“蛋白质合成高速公路”上的交通堵塞。嗜肺军团菌是一种细胞内细菌(它感染并驻留在细胞内进行复制)，是军团病(一种使人衰弱的非典型肺炎)的致病微生物。

我们询问嗜肺军团菌如何以及为何针对翻译延伸步骤。我们在最近发表在《自然细胞生物学》上的一项研究中着手回答这些问题。

我们的发现之路充满惊喜

军团菌会向受感染的细胞分泌一些毒素。因此，我们首先测量这些毒素抑制蛋白质合成的能力是否相同。这是我们的第一个惊喜：虽然我们测试的六种毒素具有相似的效果，但其中一种军团菌毒素从其他毒素中脱颖而出，这种毒素被称为SidI(发音为“Sid-eye”)。我们发现微量的SidI会强烈抑制蛋白质合成。我们的测量表明，SidI的效力与蓖麻毒素的效力相当，蓖麻毒素是自然界中最有效的毒素之一。

当我们通过冷冻电子显微镜解析这种有效抑制剂的结构时，我们实现了第二个惊喜，冷冻电子显微镜是一种通过将生物分子嵌入玻璃冰环境(大约-320°F)来保留溶液中生物分子的三维结构的技术。。我们的结构揭示了令人着迷的分子模拟。

SidI的一半具有糖基转移酶中存在的结构折叠，而另一半则类似于tRNA分子的形状和大小。请记住，tRNA将单个氨基酸带到核糖体以帮助解码mRNA。SidI伪装成tRNA并欺骗核糖体接受它，但它不是将氨基酸带到核糖体中，而是阻止核糖体翻译。

我们进行了一系列实验以确定SidI直接靶向宿主细胞核糖体并对其进行修饰。这会导致mRNA上的修饰核糖体移动速度比其尾随的核糖体慢得多，从而导致核糖体碰撞。坚持高速公路的类比，这就像当您前面的汽车出现问题并突然减速时发生汽车碰撞。

据我们所知，这种形式(tRNA拟态)和功能(酶活性)的耦合使SidI成为自然界中独特且前所未有的分子。

“那么，受感染细胞中这种异常碰撞核糖体的后果是什么?”我们问。

在试图解决这个问题时，我们得到了第三个惊喜。我们发现这些碰撞的核糖体被宿主细胞感知，从而激活核糖毒性应激反应途径，最终导致称为激活转录因子3(ATF3)的基因表达主调节因子的积累。

值得注意的是，即使大多数蛋白质合成受到抑制，ATF3蛋白也能逃脱这种mRNA翻译阻断并以高水平被诱导。ATF3进入细胞核并协​​调调节细胞裂解的程序。我们认为这种机制对于复制的细菌逃逸到细胞外环境中可能很重要，从而促进进一步的感染。

观点

长期以来，来自病原微生物的毒素一直被用作精确的分子仪器来研究细胞内发生的基本过程。SidI现在加入了这个自然工具库。从我们的研究中获得的基本见解为病原体利用分子拟态劫持对于监测最佳宿主细胞功能至关重要的过程的机制提供了新的见解。

有趣的是，通过阐明SidI的分子机制，我们又发现了在碰撞核糖体应激下游激活的应激反应途径的关键信号节点。正如我们的导师、加州大学旧金山分校教授ShaeriMukherjee经常说的那样——“细菌是最好的细胞生物学家!”