Nature：细菌通过功能性淀粉样蛋白纤维抵御感染

来源：BioArt 2025-07-27 14:08

Bdellovibrio bacteriovorus（B.bacteriovorus，蛭弧菌）是一种特别针对革兰氏阴性菌的掠食性细菌。它能够主动游动寻找目标，识别和扫描目标的外膜，随后进入目标细菌的周质空间，在目标细菌内部分解并利用其资源进行复制【1,2】。当营养消耗殆尽时，子代细菌破裂宿主细胞，离开继续寻找新目标。B.bacteriovorus的捕食策略不仅表现出高度的主动性和侵略性，也推动了宿主菌群进化出多层次、多维度的防御机制【3-7】。不同宿主细菌选择不同的策略进行防御，例如：（1）分泌氰化物、吲哚或通过群体感应信号抑制或杀死B.bacteriovorus；（2）形成保护性蛋白质层，物理阻挡其入侵；（3）一些细菌表现出短暂的抗捕食能力，但具体机制仍不清除。这些抵抗B.bacteriovorus入侵的防御策略可能与这些宿主细菌的生态位、环境以及与B.bacteriovorus接触的频率等因素密切相关。

近日，来自美国科罗拉多大学博尔德分校的Aaron T. Whiteley在Nature上发表了论文Functional amyloid proteins confer defence against predatory bacteria。在本研究中，作者发现功能性淀粉样蛋白不仅仅是病理相关结构，更多是一类广泛存在且高度适应的防御屏障，它们形成细胞外纤维网，保护宿主细菌免受捕食者和病毒的侵害。

传统实验室培养的模式菌株由于长期驯化，往往失去了自然环境中掠食者的适应能力和复杂防御机制。因此，作者认为研究自然菌株更能还原生态真实状态，可能会发现全新的防御路径。基于此，作者利用代表全球遗传多样性的72株野生型E. coli（ECOR集合）检测对B.bacteriovorus的敏感性。结果发现大约三分之一的菌株表现出极强的防御能力，但针对不同B.bacteriovorus株表现的防御能力不完全重叠，表明防御机制多样且菌株间差异显著。而且，作者发现防御能力表现出二态性，即单个菌株要么明显易感，要么几乎完全抵御，没有中间状态，且防御分布无明显系统发育学关联。

作者选取ECOR14菌株去揭示其抵御B.bacteriovorus的具体机制，这是因为ECOR14菌株表现出强烈防御且实验条件下易于培养。通过转座子介导的正向遗传筛选，定位到10个不同的基因，其中MlrA出现两次。进一步研究发现，MlrA作为转录调控因子，调节curli纤维和纤维素生物膜组分的合成。敲除curli纤维相关基因（csgA、csgB和csgD-F）显著削弱ECOR14菌株的抵御能力，而纤维素合成基因敲除则无显著影响。此外，作者还在缺乏curli表达的敏感株MG1655中过表达curli基因，可显著提升其抗捕食能力，表明curli基因介导防御的必要性。Curli是功能性淀粉样蛋白，高度有序的 -折叠结构使其形成坚韧的蛋白纤维网络。因此curli作为细胞外纤维，形成覆盖细菌表面的 盔甲 ，阻挡掠食性细菌的接近和入侵。值得注意的是，curli表达的调控十分复杂，且存在菌株间及株内表达异质性，使其表现出部分易感现象。

随后，作者还研究了curli淀粉样蛋白的跨物种防御能力。结果表明，Curli不仅针对B. bacteriovorus防御有效，同样能显著减少Myxococcus xanthus的狼群式群体捕食效应，证明其防御机制对不同捕食者具有广泛适用性。除此之外，curli还能减弱多种噬菌体感染，包括T7和Bas32型噬菌体，表明curli纤维具有多重防御层面。这一发现引导作者去探寻其他功能性淀粉样蛋白系统的防御作用。通过预测蛋白的二级和三级结构，以及基因组邻近基因的组合，作者筛选出多个候选的功能性淀粉样蛋白系统。其中Pseudomonas的Fap系统（编码FapA-F）也是一套功能类似的纤维系统，实验显示其在E. coli中过表达同样增强B. bacteriovorus防御能力。

文章的最后，作者通过全基因组比较和序列变异分析，发现淀粉样蛋白的主要纤维组分在 -折叠单元数量及序列复杂度上存在显著变异，反映出强烈的正向选择和军备竞赛压力。伴随的基因调控元件及功能域揭示这些系统对环境信号和生物压力（如宿主免疫、捕食者压力和噬菌体感染）高度响应。更有趣的是，一些最小化的curli-like operon被整合入噬菌体基因组，暗示噬菌体亦利用功能性淀粉样蛋白参与病毒间竞争及宿主防御，体现病毒-宿主-捕食者三方复杂的生态进化博弈。

总的来说，本研究系统揭示了curli及其同源的功能性淀粉样蛋白纤维作为革兰氏阴性细菌对抗掠食细菌及噬菌体的关键防御装置。淀粉样蛋白防御机制高度保守且进化多样，呈现出复杂的基因调控及群体异质性调控特点，标志着细菌在生态位中的防御策略多样化和适应性增强。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09204-7