杨国威／杨剑等揭示细菌细胞收缩注射系统多样性特征

　　在进化过程中，细菌及其他微生物学可通过其编码的多种分泌系统与宿主相互作用并应对相应的环境改变。细菌细胞外可收缩注射系统（extracellular Contractile Injection System, eCIS），不同于必须锚定在自身细胞膜上的常规CIS系统（如六型分泌系统T6SS），eCIS组装完成后会被释放到胞外发挥功能【1】。但目前经过实验证实的eCIS系统只包括沙雷氏菌（Serratia）中的AFP系统【2】、发光杆菌（Photorhabdus）中的PVC系统【3】和假交替单胞菌（Pseudoalteromonas）中的MAC系统【4】三种，并且均来自革兰氏阴性菌。近年来在阿米巴寄生菌Amoebophilus中发现的T6SSiv在基因构成和分子进化等方面均呈现出与上述三种eCIS系统的显著相似性【5】，使得eCIS成为细菌分泌系统研究的新热点。

　　在前期发光杆菌（Photorhabdus）eCIS系统研究工作的基础上【6】， 2019年10月8日，首都医科大学附属北京友谊医院杨国威团队、中国医学科学院病原生物学研究所杨剑团队与英国华威大学Waterfield团队合作在Cell Reports杂志发表题为Genome-wide identification and characterization of a superfamily of bacterial extracellular contractile injection systems的研究论文，通过对公共数据库中细菌基因组大数据的生物信息学分析，系统阐释了eCIS在细菌中的分布状况及亚型分化，并构建了专门的eCIS数据库dbeCIS ，为进一步深入开展不同细菌中的eCIS功能研究奠定了重要数据基础。

　　该研究首先归纳了AFP、PVC和MAC系统的共性特征，并以此为基础通过基于隐马模型的蛋白特征谱结合基因组排列关联性分析，同时利用迭代搜索策略提高识别敏感性，从源自公共数据库的11,699株完整细菌基因组中成功鉴别出631个可能编码类eCIS系统的基因簇（含T6SSiv）。研究结果表明，eCIS广泛分布于革兰氏阴性菌、阳性菌和古细菌中，并依据其排列方式和进化关系可以被划分为两个谱系（包括六种亚型）。前期研究鉴定出的三种eCIS系统和T6SSiv均属于只在革兰氏阴性菌中存在的谱系I，而分布更加广泛的谱系II中的eCIS成员可能成为后续研究的热点（图1）。

图1：基于分子进化的eCIS谱系划分及其细菌种类分布

　　该研究进一步利用新发现的一株沙门氏菌基因组编码的eCIS系统的特征序列，对来自EnteroBase数据库的178,998株全基因组测序（WGS）草图数据的开展了系统扫描，从中发现了143株可能携带eCIS系统的肠道沙门氏菌（图2）。考虑到目前发现的eCIS绝大多数分布于海洋、土壤等的环境微生物基因组中，而当前公共数据库中的完整细菌基因组多数为人类致病菌，因此该研究所展示的eCIS在细菌中的分布比例可能由于完整细菌基因组的样本偏性而被低估。

图2：沙门氏菌中的eCIS集中分布于salamae和diarizonae亚种

　　值得一提的是，对比现有完整细菌基因组中的eCIS和T6SS的分布情况显示，这两类系统极少同时存在于同一株细菌基因组中，从而暗示eCIS和T6SS之间可能存在某种意义上的“不兼容性”。考虑到eCIS和T6SS两类分泌系统在编码基因、总体结构和功能特性等诸多方面存在的相似性，eCIS和T6SS之间的进化关系可能成为后续研究的焦点。

　　中国医学科学院病原生物学研究所陈立宏副研究员、首都医科大学附属北京友谊医院宋楠副研究员为本文的共同第一作者。友谊医院杨国威副研究员、病原所杨剑研究员和英国华威大学Waterfield教授为本文的共同通讯作者。

　　原文链接：

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

　　参考文献

　　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.