《SCIENCE ADVANCES》：The Yeh pilus adhesin is equipped with an α-helical flap motif, which contributes to pectin adherence
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本研究針對尿路致病性大腸桿菌(UPEC)胃腸道定植機制不清的問題，通過結構生物學和功能實驗揭示Yeh菌毛黏附素YehDRBD的新型α螺旋瓣結構及其動態構象變化，發現該結構通過調控果膠結合能力促進腸道定植，為理解UPEC腸道菌庫形成提供了新視角。
尿路感染是全球范圍內常見的細菌感染性疾病，其中尿路致病性大腸桿菌(UPEC)是主要致病菌。隨著抗生素耐藥性問題日益嚴重，深入了解UPEC的致病機制對于開發新型治療策略至關重要。值得注意的是，UPEC不僅能在泌尿系統中引起感染，還能在胃腸道內定植形成菌庫，成為反復感染的重要源頭。這種跨器官生存能力很大程度上依賴于其表面表達的菌毛結構，特別是通過分子伴侶-引物通路(CUP)組裝的菌毛末端黏附素，這些黏附素能夠特異性識別宿主組織或環境中的受體分子。
盡管前期研究發現Yeh菌毛在超過半數的大腸桿菌基因組中存在，且其表達在炎癥性腸病患者腸道中上調，但關于Yeh菌毛的結構特征和具體功能機制仍知之甚少。同時，有流行病學證據表明社區內尿路感染暴發可能與食源性傳播有關，但UPEC如何通過食物中的植物成分進入腸道的分子機制尚未明確。為了解決這些科學問題，研究團隊在《SCIENCE ADVANCES》上發表了關于Yeh菌毛黏附素的結構與功能研究。
研究人員主要運用了以下幾項關鍵技術：通過對約90,000個大腸桿菌基因組進行系統發育分析確定yeh和yhl操縱子的分布特征；利用X射線晶體學解析YehDRBD和YhlDRBD的三維結構；采用FAST(波動放大特定性狀)分子動力學模擬結合馬爾可夫狀態模型(MSM)分析蛋白質構象變化；通過小角X射線散射(SAXS)驗證溶液中的蛋白質構象；使用糖芯片技術和酶聯免疫吸附試驗(ELISA)評估蛋白質與糖類的結合特性；建立小鼠胃腸道定植模型進行體內功能驗證。
Yeh和Yhl菌毛是由不同大腸桿菌種群編碼的相關菌毛
系統發育分析顯示，Yeh和Yhl菌毛屬于經典CUP菌毛的γ4分支，與已知促進胃腸道定植的沙門氏菌Stc菌毛親緣關系接近。基因組分析表明，yehD基因存在于約一半(43,678/87,973)的大腸桿菌基因組中，而yhlD僅存在于約八分之一的基因組中，且主要集中于腸道相關的E系統發育群。約半數E系統發育群菌株同時含有yehD和yhlD，提示這兩種黏附素可能具有不同的生物學功能。
YehDRBD和YhlDRBD晶體結構含有α螺旋瓣基序
研究人員成功解析了YehDRBD(1.7?)和YhlDRBD(2.29?)的晶體結構，發現盡管兩者一級序列相似性僅為14.1%，但三級結構高度相似。這兩種黏附素結構域不僅含有典型的β鏈富集的果凍卷結構，還包含一個由兩個反平行α螺旋組成的瓣狀結構，該結構通過鉸鏈區與β鏈核心結構域相連。表面疏水性分析顯示，瓣狀結構遠端由疏水性氨基酸組成，這與通常暴露于溶劑中的親水性表面形成鮮明對比。圓二色譜分析進一步證實了結構中同時存在α螺旋和β鏈元件。
YehDRBD集合體包含構象異質性
分子動力學模擬表明，α螺旋瓣結構具有構象異質性，存在"開放"和"閉合"兩種狀態。馬爾可夫狀態模型預測，YehDRBD大部分時間(89.5%)處于瓣結構開角小于50°的閉合狀態，開放狀態種群比例很低。結構分析發現，瓣結構與核心之間的界面存在兩個關鍵穩定區域：由W143與I51/V102/I112組成的疏水斑塊，以及由R151與N113/S162/N164形成的親水插入區。點突變實驗顯示，破壞疏水斑塊的W143K突變導致蛋白質構象向開放狀態轉變，而親水插入區的突變對構象影響較小。
YehDRBD結合果膠，受瓣-核心界面影響
組織染色實驗表明，YehDRBD特異性結合小鼠和人類結腸腔內容物，而YhlDRBD則主要結合黏膜上皮細胞。通過糖芯片篩選發現，YehDRBD能特異性結合果膠(植物細胞壁多糖)和透明質酸。細胞實驗進一步證實，表達W143K和R151E突變YehD的菌株對果膠的結合能力增強，表明瓣結構的開放狀態提高了結合親和力。位于潛在結合口袋邊緣的S49A和Y150A突變則不影響結合能力。
Yeh在缺乏1型菌毛時促進UTI89胃腸道定植
為評估Yeh菌毛在腸道定植中的功能，研究人員構建了同時缺失1型菌毛和Yeh菌毛的UTI89ΔfimB-HΔyeh菌株，并與僅缺失1型菌毛的菌株進行競爭性定植實驗。結果顯示，在1型菌毛缺失背景下，Yeh菌毛的缺失導致細菌在腸道內的定植能力下降，競爭指數顯示UTI89ΔfimB-H相對于UTI89ΔfimB-HΔyeh有1.6至3.9倍的優勢。這種定植缺陷在結腸內容和盲腸中尤為明顯，表明Yeh菌毛在胃腸道特定區域定植中發揮作用。
討論部分指出，YehDRBD和YhlDRBD代表了γ4黏附素中一種新型結構范式，其獨特的α螺旋瓣結構為理解CUP黏附素的構象調控機制提供了新視角。與FimH的別構調控機制不同，YehD通過瓣結構的開合運動調節結合親和力，這種動態特性可能與其在腸道環境中的適應性相關。研究表明，Yeh菌毛通過識別食物來源的果膠成分，可能為UPEC提供了通過飲食進入胃腸道的途徑，這為理解尿路感染的食源性傳播提供了分子基礎。同時，YhlD對腸道黏膜的特異性結合提示其在宿主-病原體相互作用中可能扮演不同角色，特別是在主要存在于腸道內的E系統發育群菌株中。這項工作不僅深化了對UPEC腸道定植機制的理解，也為針對細菌黏附過程的抗感染策略開發提供了新的靶點。
