Cell：细胞外细胞色素纳米线似乎在原核生物中普遍存在

从俄克拉荷马州一条受污染的沟渠中分离出来的一种地杆菌（Geobacter）有一种不寻常的附属物---一条长的细胞外纳米线，可以导电。这种纳米线中的电子传递链将电子从细菌中带到一种不溶性的外部电子受体，以帮助这种细菌制造能量。这种微米级的长程电子传递被认为在早期地球的微生物代谢中发挥了重要作用。

如今，在一项新的研究中，来自美国阿拉巴马大学伯明翰分校、弗吉尼亚大学医学院和法国巴斯德研究所的研究人员利用生物信息学和低温电镜，发现这类由细胞色素（cytochrome）蛋白长链组成的纳米线似乎在原核微生物中无处不在---在细菌和古生菌中都是如此。相关研究结果发表在2023年6月22日的Cell期刊上，论文标题为“Extracellular cytochrome nanowires appear to be ubiquitous in prokaryotes”。

古生菌是除细菌之外的第二个原核生命领域，而且古生菌被认为是细菌与动物和植物等生命体中发现的更先进的真核细胞之间的一个古老的中间群体。

除了强烈表明这些细胞外细胞色素纳米线（extracellular cytochrome nanowire, ECN）在许多依靠长距离电子传递进行代谢的原核生物中无处不在，论文共同通讯作者、阿拉巴马大学伯明翰分校的Fengbin "Jerry" Wang博士；论文共同通讯作者、巴斯德研究所的Mart Krupovic博士；论文共同通讯作者、弗吉尼亚大学医学院的Edward H. Egelman博士说，他们的研究结果还证实，在硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）中发现的ECN并非独一无二。

硫还原地杆菌有三种ECN，每种都是由三种不同的c型细胞色素（c-type cytochrome）中的一种组成的长链。每个c型细胞色素分子包含多个血红素（heme），即附着在这个细胞色素上的含铁卟啉，并在电子转移中发挥作用。血红素更多地被称为红细胞血红蛋白中的氧载体。

这些作者查看了预测携带具有多个血红素的c型细胞色素的古生菌物种的基因数据集，他们使用多种过滤器来识别可能形成ECN的细胞色素。这样的细胞色素蛋白必须：1）具有一个“信号肽序列”，有助于将蛋白运送到微生物的膜上；2）缺乏必须插入细胞膜的跨膜区域；3）与同一菌株中的其他携带具有多个血红素的c型细胞色素一起编码；以及4）缺乏与现有已知蛋白褶皱的序列同源性，这意味着这些细胞色素被预测为具有尚未见过的三维二级结构。

根据这些标准，他们测试了三种候选的极度嗜热菌ECN，他们能够从其中两种属于不同门类的古生菌物种中培育出ECN---通过低温电镜鉴定。他们还使用低温电镜确定了这两种ECN的分子结构，分辨率分别为3.8和4.1埃米。

第一种ECN来自超嗜热古生菌Pyrobaculum calidifontis，它是从菲律宾的一个陆地温泉中分离出来的。另一种ECN来自Archaeoglobus veneficus，它是从从大西洋中脊11500英尺深的蛇坑深海热液喷口处分离出来的。在实验室里，Archaeoglobus veneficus是在167°F下生长的。

这些作者能够从这两种古生菌的基因组中的一些不同的c型细胞色素中确定哪种特定的c型细胞色素被用来生长它的ECN。这些纳米线分别被命名为PcECN，即P. calidifontis ECN，和AvECN，即A. veneficus ECN。PcECN T和AvECN与硫还原地杆菌中的两种ECN有三个惊人的相似之处。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.012。

首先，这四种ECN都有绝缘的血红素，这意味着蛋白像铜线上的绝缘层一样包围着内部的血红素，因此血红素受到保护，不受溶剂的影响。其次，这四种ECN中的每个细胞色素单元有四个血红素位点。第三，尽管不同ECN中的结构不相关的细胞色素在蛋白褶皱中没有显示出相似性，但这四种ECN中的三维血红素堆积模式都非常相似。这表明，有一种优化的血红素堆积模式适用于溶剂无法接触的ECN。

当这些作者搜索蛋白数据库（Protein Data Bank）时，他们惊讶地发现这种血红素堆积也存在于那些在较短距离内传递电子的酶中，尽管它们之间存在功能上的分歧，而且没有可识别的蛋白褶皱相似性。

这些蛋白包括亚硝酸盐还原酶、亚硫酸盐还原酶、NrfB、光合细胞色素c552、羟胺氧化还原酶、Mtr复合物和三种类型的氧化还原酶。因此，四血红素阵列模式在自然界中普遍存在，这表明这是一种进化优化的血红素取向，用于高效的电子转移。

这些作者发现，ECN细胞色素的同源物---具有共同进化起源的其他蛋白---在古生菌中广泛存在。具体来说，PcECN的同源物在古生菌目Desulfurococcales中被检测到，而AvECN的同源物分布更广。

AvECN的同源物在Archaeoglobales目其他嗜热成员中被发现，也在Syntrophoarchaeales目降解烷烃的古生菌、Methanoperedenaceae科的甲烷氧化菌和多个被称为Borgs的超大质粒中发现。Borgs与甲烷氧化的Methanoperedens古生菌有关。

Wang及其同事们展示了这些同源物之间的进化关系。他们还发现，参与血红素附着和协调的氨基酸基序在Archaeoglobales、Syntrophoarchaeales和Methanoperedenaceae以及Borgs中都很保守，这表明这些具有生态重要性的古生菌可以形成结构相似的ECN。

其他生物信息学分析表明，AvECN蛋白家族和一种来自紫硫光合细菌的c552家族细胞色素在进化中有着共同的祖先。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Diana P. Baquero et al. Extracellular cytochrome nanowires appear to be ubiquitous in prokaryotes. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.012.