楊國威／楊劍等揭示細菌細胞收縮注射系統多樣性特征

　　在進化過程中，細菌及其他微生物學可通過其編碼的多種分泌系統與宿主相互作用并應對相應的環境改變。細菌細胞外可收縮注射系統（extracellular Contractile Injection System, eCIS），不同于必須錨定在自身細胞膜上的常規CIS系統（如六型分泌系統T6SS），eCIS組裝完成后會被釋放到胞外發揮功能【1】。但目前經過實驗證實的eCIS系統只包括沙雷氏菌（Serratia）中的AFP系統【2】、發光桿菌（Photorhabdus）中的PVC系統【3】和假交替單胞菌（Pseudoalteromonas）中的MAC系統【4】三種，并且均來自革蘭氏陰性菌。近年來在阿米巴寄生菌Amoebophilus中發現的T6SSiv在基因構成和分子進化等方面均呈現出與上述三種eCIS系統的顯著相似性【5】，使得eCIS成為細菌分泌系統研究的新熱點。

　　在前期發光桿菌（Photorhabdus）eCIS系統研究工作的基礎上【6】， 2019年10月8日，首都醫科大學附屬北京友誼醫院楊國威團隊、中國醫學科學院病原生物學研究所楊劍團隊與英國華威大學Waterfield團隊合作在Cell Reports雜志發表題為Genome-wide identification and characterization of a superfamily of bacterial extracellular contractile injection systems的研究論文，通過對公共數據庫中細菌基因組大數據的生物信息學分析，系統闡釋了eCIS在細菌中的分布狀況及亞型分化，并構建了專門的eCIS數據庫dbeCIS ，為進一步深入開展不同細菌中的eCIS功能研究奠定了重要數據基礎。

　　該研究首先歸納了AFP、PVC和MAC系統的共性特征，并以此為基礎通過基于隱馬模型的蛋白特征譜結合基因組排列關聯性分析，同時利用迭代搜索策略提高識別敏感性，從源自公共數據庫的11,699株完整細菌基因組中成功鑒別出631個可能編碼類eCIS系統的基因簇（含T6SSiv）。研究結果表明，eCIS廣泛分布于革蘭氏陰性菌、陽性菌和古細菌中，并依據其排列方式和進化關系可以被劃分為兩個譜系（包括六種亞型）。前期研究鑒定出的三種eCIS系統和T6SSiv均屬于只在革蘭氏陰性菌中存在的譜系I，而分布更加廣泛的譜系II中的eCIS成員可能成為后續研究的熱點（圖1）。

圖1：基于分子進化的eCIS譜系劃分及其細菌種類分布

　　該研究進一步利用新發現的一株沙門氏菌基因組編碼的eCIS系統的特征序列，對來自EnteroBase數據庫的178,998株全基因組測序（WGS）草圖數據的開展了系統掃描，從中發現了143株可能攜帶eCIS系統的腸道沙門氏菌（圖2）。考慮到目前發現的eCIS絕大多數分布于海洋、土壤等的環境微生物基因組中，而當前公共數據庫中的完整細菌基因組多數為人類致病菌，因此該研究所展示的eCIS在細菌中的分布比例可能由于完整細菌基因組的樣本偏性而被低估。

圖2：沙門氏菌中的eCIS集中分布于salamae和diarizonae亞種

　　值得一提的是，對比現有完整細菌基因組中的eCIS和T6SS的分布情況顯示，這兩類系統極少同時存在于同一株細菌基因組中，從而暗示eCIS和T6SS之間可能存在某種意義上的“不兼容性”。考慮到eCIS和T6SS兩類分泌系統在編碼基因、總體結構和功能特性等諸多方面存在的相似性，eCIS和T6SS之間的進化關系可能成為后續研究的焦點。

　　中國醫學科學院病原生物學研究所陳立宏副研究員、首都醫科大學附屬北京友誼醫院宋楠副研究員為本文的共同第一作者。友誼醫院楊國威副研究員、病原所楊劍研究員和英國華威大學Waterfield教授為本文的共同通訊作者。

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.08.096

　　參考文獻

　　1. Howard and Filloux. (2019). Looking inside an injection system. eLife 2019；8:e50815.

　　2. Hurst, M.R., Glare, T.R., and Jackson, T.A. (2004). Cloning Serratia entomophila antifeeding genes--a putative defective prophage active against the grass grub Costelytra zealandica. Journal of bacteriology 186, 5116-5128.

　　3. Yang, G., Dowling, A.J., Gerike, U., ffrench-Constant, R.H., and Waterfield, N.R. (2006). Photorhabdus virulence cassettes confer injectable insecticidal activity against the wax moth. Journal of bacteriology 188, 2254-2261.

　　4. Shikuma, N.J., Pilhofer, M., Weiss, G.L., Hadfield, M.G., Jensen, G.J., and Newman, D.K. (2014). Marine tubeworm metamorphosis induced by arrays of bacterial phage tail-like structures. Science 343, 529-533.

　　5. Bock, D., Medeiros, J.M., Tsao, H.F., Penz, T., Weiss, G.L., Aistleitner, K., Horn, M., and Pilhofer, M. (2017). In situ architecture, function, and evolution of a contractile injection system. Science 357, 713-717.

　　6. Vlisidou I, Hapeshi A, Healey JR, Smart K, Yang G, Waterfield NR. (2019). The Photorhabdus asymbiotica virulence cassettes deliver protein effectors directly into target eukaryotic cells. eLife；8:e46259.