2023年11月18日，上海交通大学Bio-X研究院曹骎课题组于Nature Commnunitaions期刊在线发表了题为“Serine peptidase Vpr forms enzymatically active fibrils outside Bacillus bacteria revealed by cryo-EM”的研究论文，首次报道了一种存在于芽孢杆菌胞外的蛋白质纤维。

蛋白质的不可逆相变所引发的纤维化是许多人类疾病，尤其是神经退行性疾病的重要病理标志，如阿尔兹海默症中的tau及Aβ纤维，渐冻人症中的TDP-43纤维等。而在这些病理性的纤维之外，还有许多蛋白质纤维参与了正常的生理功能，如细胞骨架、静息纤毛等。在微生物的胞外也存在大量的功能性蛋白纤维，如鞭毛、纤毛、功能性淀粉样纤维等，这些蛋白纤维有着重要的生理功能，对于微生物的生存至关重要。然而微生物胞外是否还存在一些功能未知的、未被发现的蛋白纤维仍然尚不明确，这些新纤维的发现可能会帮助我们对于相关微生物的防治和工程化应用提供重要信息。

近日，我院曹骎课题组在一种芽孢杆菌（Bacillus amyloiquefaciensa，枯草芽孢杆菌的近亲）的胞外分离得到一种全新的蛋白质纤维，并通过冷冻电镜的近原子分辨率结构解析，发现这种纤维由一个名为Vpr的胞外丝氨酸多肽酶（Serine peptidase）组成（图1）。冷冻电镜结构分析及生化实验表明，该蛋白在形成纤维时仍然具有多肽酶的活性。同时Vpr纤维也在枯草芽孢菌的胞外被发现，说明Vpr的纤维化可能是一个广泛存在于芽孢菌属的共同机制。

图1 Vpr纤维的冷冻电镜结构

目前Vpr纤维的生理功能仍待进一步发掘，据Vpr蛋白已知的功能推测，可能是与细胞的远距离通讯以及营养代谢有关。可以肯定的是，这种纤维必然有其重要的生理功能，否则无法在漫长的演化压力下仍可以稳定且大量地存在于芽孢杆菌周围。有趣的是，Vpr纤维的外形与微生物胞外常见的鞭毛十分类似，因此在负染电镜下观察无法区分Vpr与鞭毛纤维，只有在更高分辨率的冷冻电镜观察下才可看出两者的区别（图2）。由此可推测Vpr纤维之所以长久以来未被发现和报道，正是由于如果只进行常规的负染电镜观察，会将其误认为鞭毛纤维。因此本研究也突显了冷冻电镜在发现与鉴定全新生物大分子的优势。值得一提的是，本研究中鉴定纤维组成蛋白的方法正是通过高分辨率冷冻电镜密度，从侧链形状直接推测相应氨基酸残基，从而得到可能的蛋白质序列并在蛋白质库中搜索序列最接近的蛋白质。这一工作再次说明了高分辨率的冷冻电镜结构解析可以在未知蛋白质组成的情况下获取生物样本中目标分子的结构和蛋白组成信息。

图2 负染(a)及冷冻(b)电镜下Vpr纤维的形貌

上海交通大学Bio-X研究院曹骎课题组的程乙佳博士是该论文的第一作者，本工作受到了来自国家自然科学基金以及科技部的经费支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43359-z