2018年10月28日

細菌隨身組裝的重裝武器-T6SS

陳俊堯/慈濟大學生命科學系助理教授,熱愛細菌的細菌人,研究領域為微生物生態,對環境微生物社會的興趣遠大於對人類社會的興趣,近年來亦致力於科普寫作的實踐與推廣。

細菌是在細胞內製造蛋白質,如果要把做好的蛋白質從細胞內送到細胞外使用,就得依賴某些分泌系統將它們送出細胞膜。而每個分泌系統都是由很多種蛋白質零件所組成,最後,在細胞膜上組裝成一套精緻的奈米機器,執行運送蛋白質的任務。

前言
2006年,美國哈佛醫學院麥卡蘭諾斯(John Mekalanos)教授的研究團隊,在霍亂弧菌(Vibrio cholera)裡找到一組特殊的設備,將它命名為第六型分泌系統(Type VI secretion system, T6SS),這意味著先前已在細菌中找到5種類似此設備功能的分泌系統。在這個實驗中,所使用的主角是霍亂弧菌,在測試了包括實驗室中所培養的小鼠細胞(J774)和黏菌細胞後,團隊發現霍亂弧菌能用這組設備將毒素送入受測細胞,並導致細胞死亡,是個不折不扣的武器。

此外,他們也比對很多細菌的基因體序列,發現不少細菌都有類似的基因。在清查當時能取得的序列資料後,科學家們發現1∕4的革蘭氏陰性細菌種類可能都帶有這套系統。後續來自各地的實驗結果也證實這組基因不只是在霍亂弧菌中使用,其它種類的細菌也用這套設備攻擊動物或植物,代表著這項威力強大的武器其實已在細菌的世界裡被廣泛使用了。不過,這組新武器到底是從哪裡來的呢?

T6SS 其實是偷來的武器
要找出武器設計圖的來源,DNA 序列比對工具就顯得相當重要。

以機器設計來說,如果光是依據對手公司的機器在功能及外型和自身的機器很像,這一點證據還不夠用來指控對方抄襲,但是如果在比對後發現雙方設計圖細節都一樣,那就可能成為有力的證據。科學家在比對DNA序列時,發現細菌T6SS基因的序列和T4噬菌體基因的序列有很高的相似度,而且不只是1個基因像,是整組基因的序列都像。這樣程度的相似度不是巧合可以解釋得通的,合理推測應該是噬菌體在感染細菌後把整組基因留在細菌裡,後來被細菌重新改造並拿來使用。

如果將這組基因所製造出來的蛋白質們組合起來,模樣會像是根埋在細胞裡的長矛,基部是可以收縮的蛋白質,收縮時會把這根長矛往外推,刺入隔壁的細胞,把預先放在尖端的毒素送過去。在T4 噬菌體身上,這組設備位於可收縮的尾部,是它們感染細菌時需要用到的重要武器。噬菌體附著在細菌表面時,會用這長矛刺穿細菌的細胞壁和細胞膜,再透過長矛中間的管道把DNA和蛋白質送入細菌。這些蛋白質可以搶奪對細菌細胞的掌控權,把它變成製造噬菌體的殭屍(圖一)。

圖一:左邊為噬菌體示意圖,噬菌體在接觸到細菌的外膜後,尾鞘構造會收縮,伸出尾管刺破細菌的細胞膜,造成感染;右邊則是第六型分泌系統,也是利用它來攻擊細菌。

把敵人的武器搶過來用
演化就是這麼有意思。這套原本是設計來屠殺細菌的精巧奈米機器,最後被細菌拿來為自己謀福利。只不過在 T4噬菌體身上的這套設備原本長約100奈米(nm),大約只有細菌直徑的1∕10而已,但在細菌身上改造後的版本T6SS可以拉長10倍,完成組裝時的大小已經接近整隻細菌直徑的長度了。基部蛋白收縮時,形成長矛主體的Hcp蛋白突出細菌本體外大約半隻細菌的長度,大小等同於有個人拿著把藍波刀,以細菌的尺寸來看還挺嚇人的。......【更多內容請閱讀科學月刊第587期】

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