牙龈卟啉单胞菌是导致牙周炎的主要细菌病原体

也被称为牙龈疾病。在日本，年龄在35岁以上的成年人中有80%患有这种疾病。此外，牙龈卟啉单胞菌还与类风湿性关节炎，心血管疾病，胰腺癌甚至阿尔茨海默氏病有关。

牙周炎是对生物膜的一种口腔炎性疾病，生物膜是一种细菌斑块，聚集在我们牙齿等表面。生物膜的产生主要是由细菌细胞将自身附着在宿主上，并通过被称为菌毛的粘性头发状细丝彼此形成的。在严重的情况下，牙周炎会导致牙龈侵蚀和牙齿脱落。

冲绳科技大学研究生院(OIST)的分子低温电子显微镜部门的研究人员与长崎大学的中山晃司教授和大阪大学的今田克澄教授一起揭示了它们的结构胶粘菌毛并阐明它们的组装方式。他们的研究发表在《自然微生物学》上，为细菌学提供了新的见解，并且是抗击这种细菌相关疾病的关键一步。

“菌毛对于细菌的生存以及生物膜的形成都至关重要。”由Otts副教授Matthias Wolf领导的OIST研究室的第一作者兼研究员Satoshi Shibata博士说。“通过仔细观察这些菌毛，我们的研究为我们如何防止生物膜形成提供了见识。”

牙龈卟啉单胞菌是细菌类的成员。由中山教授和长崎大学的同事领导的先前研究发现，此类细菌大多数都具有独特的V型菌毛。但是，到目前为止，这些菌毛的结构和组装过程尚不清楚。中山教授说：“除牙周病原体外，在主要的结肠​​细菌如拟杆菌属和普氏杆菌属中也发现了V型菌毛，它们的V型菌毛可能有助于结肠微生物群的形成。”

菌毛本身由较小的蛋白质单元(称为菌毛蛋白)组成。对于牙龈卟啉单胞菌，大多数是FimA菌毛。尽管菌毛素仅通过弱相互作用而连接，但它们可以组装成非常稳定的菌毛。

确定组装方式的第一步是仔细观察各个菌毛的结构。Imada教授说：“FimA的详细结构信息非常重要，因为牙龈卟啉单胞菌菌株的致病性与FimA亚型密切相关。”

Imada教授和大阪大学的学生结晶了FimA菌毛蛋白，并以原子分辨率揭示了它们的未组装状态。

Shibata博士说：“根据Nakayama研究小组的早期实验结果，我们推测这些菌毛素是通过蛋白酶介导的链交换机制组装而成的。”“因此，我们的下一个实验使用了冷冻电子显微镜仔细观察了完全组装的菌毛。”

中山研究组的副教授Mikio Shoji和Shibata博士准备了一种遗传工程形式的FimA菌毛蛋白，在加入了一种蛋白酶(一种可以切割其他蛋白质的蛋白)后，该蛋白成功地组装成了菌毛。Shibata博士随后在OIST的高端低温电子显微镜上收集了数千张图像，并在大学的“ Sango”超级计算机上处​​理了数据，从而形成了组装菌毛结构的完整三维原子模型。

“当我们添加蛋白酶时，菌毛蛋白就开始组装成细长的菌毛，就像火车车厢连接起来，形成一列火车。发生这种情况的原因是，蛋白酶切割了一个固定环并释放了一条蛋白质链，称为供体链，从而触发了组装开始。”沃尔夫教授说。释放后，供体链从菌毛中翻转出来，并插入相邻的菌毛槽中，从而连接了两个菌毛。

最后，在团队的共同努力下，这三个小组仔细研究了供体链末端的氨基酸组成，发现它在组装机制中起着至关重要的作用。他们使用生物化学，晶体学和cryo-EM技术对蛋白质进行了突变，从而阻止了菌毛的形成，从而证明了这些关键氨基酸如何促进菌毛素的聚合。

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