本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點
細菌已經適應了在許多生態位中生存;從生活在土壤和海洋中的環境細菌,到高度特化的細胞內細菌,它們完全依賴周圍的宿主獲取營養。雖然所有細菌在適應環境以適合自身時都面臨挑戰,但細胞內細菌面臨著一個特別有趣的挑戰,因為它們必須適應生物體內部的條件而又不殺死宿主。
所有生物體都需要碳、氮和氧源才能生存。大多數生物體,特別是多細胞生物體,更喜歡使用葡萄糖或糖原作為碳源,但一些細菌已經找到了其他的生存方式。細菌嗜肺軍團菌可以生活在人類或變形蟲細胞內,是軍團病的原因,它從構成蛋白質的氨基酸中獲取能量來源。本質上,它過著阿特金斯飲食法的生活,消耗高水平的蛋白質和低得多的碳水化合物。
真核宿主細胞內漂浮著氨基酸,但它們的濃度往往很低。為了獲得更多所需的氨基酸,軍團菌積極鼓勵真核宿主細胞開始分解自身的蛋白質。蛋白質的分解是細胞內每天發生的正常過程,因為蛋白質的合成和分解對於產生化學訊號和修飾代謝途徑至關重要。細菌抓住這個系統並開始為了自己的目的而執行它。
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為了分解蛋白質,人類(或變形蟲)細胞會在蛋白質上貼上一個小標籤,一種叫做泛素的小化學分子(我現在將其記為 U)。需要去除的蛋白質會被這些小 U 標籤標記,這些標籤是控制蛋白質將註定要失敗的分子搬運到稱為蛋白酶體的巨大分子上的訊號,蛋白酶體會將其分解。
軍團菌進入細胞時被包裹在細胞外膜的保護層中。一旦進入這個液泡,它就開始安家落戶,向周圍的宿主分泌大約 300 種蛋白質,以便為自己營造一個合適的生存環境。在這些蛋白質中,有一種叫做 AnkB,它將自身錨定在液泡膜中,面向宿主細胞。AnkB 本身似乎不會向蛋白質新增 U 標籤,但它似乎強烈鼓勵現有的宿主標記機制過度使用 U 標籤。
這些被標記的蛋白質隨後被宿主細胞機制降解,為軍團菌的生存提供了完美的環境。如果 AnkB 基因被敲除,細菌會遭受嚴重的生長缺陷,透過小心地用氨基酸混合物餵養細菌使其再次生長,可以部分恢復這些缺陷。在小鼠模型中,AnkB 基因被敲除的細菌完全無法引起細菌性肺病。
此外,這也不是物種特異性反應。利用宿主降解機制來提供細菌的阿特金斯飲食法在從人類和小鼠到變形蟲的受感染生物體中都很常見。發現如此重要的單個基因可能對未來疫苗和藥物的開發大有幫助。
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路易斯維爾大學新聞稿。
Price CT, Al-Quadan T, Santic M, Rosenshine I, & Abu Kwaik Y (2011). 宿主蛋白酶體降解產生細胞內細菌生長必需的氨基酸。《科學》(紐約,紐約州) PMID: 22096100