人类肠道中有着极其密集和多样化的微生物群落。这个复杂的生态系统主要由不同种类的细菌组成，它们在有限的肠道内争夺资源和生态位，并对人体的生命健康具有极其重要的影响¹。菌间的拮抗和防御机制是它们主要的竞争方式之一。拟杆菌是人体肠道中丰度最高的革兰氏阴性菌。为了在菌间竞争中获取优势地位，研究显示肠道拟杆菌开发了多种特定的杀菌蛋白作为对抗其它拟杆菌的抗菌武器²。泛素分子长期以来被认为是真核细胞所特有的，但研究人员在前期的研究中却意外地发现人肠道脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）可以编码并分泌一种具有杀菌活性的泛素同源蛋白（BfUbb）。BfUbb与人泛素具有约80%的序列相似性，但其具体的杀菌机制及生理意义不为人知³。

12月11日，山东大学微生物技术国家重点实验室高翔团队在Nature Microbiology上在线发表题为Bacteroides fragilis ubiquitin homologue drives intraspecies bacterial competition in the gut microbiome的文章，揭示了一种前所未有的人肠道拟杆菌分泌的泛素同源物（BfUbb）拮抗特定肠道拟杆菌的杀菌机制。

在该研究中，作者证明纯化的BfUbb蛋白对大量的脆弱拟杆菌都具有杀菌活性，其杀菌活性甚至比实验中用来抑制拟杆菌生长的四环素和氯霉素等抗生素的最小抑菌浓度还要低100倍以上。借助激光共聚焦显微镜，研究人员首次揭示了BfUbb在敏感菌株的周质空间中发挥毒性的杀菌表型。BfUbb与泛素具有高度的序列相似性，但对泛素共价连接底物非常重要的C末端双甘氨酸在BfUbb中则被半胱氨酸所取代。为了进一步揭示BfUbb能够发挥杀菌功能的特异性，作者进一步解析了BfUbb的晶体结构，并意外的发现BfUbb通过C末端的半胱氨酸与其70位的另一个特异的半胱氨酸形成了一个在真核泛素中不存在的特异二硫键，并证明该二硫键对BfUbb的杀菌活性至关重要。

在分析完其自身的特性之后，作者进一步探究了BfUbb的作用底物及相应的杀菌机制。通过亲和共纯化串联质谱分析，作者在敏感菌株的裂解液中鉴定到一个特异的肽基脯氨酰基顺反异构酶（Peptidyl-Prolyl Isomerase, PPIase）；并通过体外和体内的多重功能验证证明BfUbb通过靶向该PPIase发挥杀菌活性，并证明该PPIase对于拟杆菌的存活是必不可少的。

为了进一步解析BfUbb和PPIase的互作机制，作者通过生物信息学分析，BfUbb-PPIase的复合物结构解析和分析，以及一系列的功能验证，发现BfUbb通过其C末端二硫键介导与PPIase中119位酪氨酸（Tyr119）相互作用，该相互作用决定了PPIase与BfUbb的结合特异性及菌株对BfUbb的敏感性。非敏感型脆弱拟杆菌其PPIase上119位氨基酸为谷氨酸（Glu119），从而逃避了BfUbb的结合，并获得了对BfUbb的抗性。PPIase与BfUbb的结合使PPIase的底物结合口袋发生了显著的构象变化，从而影响了它的顺反异构酶活性和分子伴侣活性。

同时，为了验证BfUbb的生理学意义，研究人员通过菌株水平的共培养实验和小鼠水平的共定殖实验证明BfUbb可使其生产菌株相对于其敏感菌株获得巨大的竞争优势。对人体肠道菌群宏基因组数据分析表明含有BfUbb生产菌株的样本中不含有BfUbb敏感菌株，而在不含有BfUbb生产菌株的样本中，BfUbb敏感株和非敏感株能够共存，进一步表明在人类肠道中BfUbb生产菌株相对于BfUbb敏感菌株具有绝对的生存优势。

本研究系统深入地解析了人肠道拟杆菌分泌的泛素同源物BfUbb独特的杀菌机制，并表明BfUbb是塑造人类肠道内菌株组成的强大驱动因子，具有重要的应用潜力。

BfUbb杀菌机制的概述图。

山东大学副研究员姜昆，博士生李伟勋、童明，博士后徐京华以及博士生陈喆为论文共同第一作者，山东大学高翔为该研究的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省自然科学基金等基金的资助。

高翔课题组的主要的研究方向为肠道病原微生物（沙门氏菌）、肠道菌群（拟杆菌）以及宿主之间相互作用的分子机制，并以此为基础探索调控肠道稳态的新策略。在Nature、Science、Cell、Nature Microbiology和Cell Host & Microbe等期刊上发表研究论文多篇。课题组长期招收微生物学、免疫学和结构生物学方向优秀博士，博士后及（副）研究员，欢迎志同道合的优秀人才加入。

原文链接：10.1038/s41564-023-01541-5

参考文献：

1. Faith, J. J. et al. The long-term stability of the human gut microbiota. Science 341, 1237439, doi:10.1126/science.1237439 (2013).

2. García-Bayona, L. & Comstock, L. E. Bacterial antagonism in host-associated microbial communities. Science 361, doi:10.1126/science.aat2456 (2018).

3. Chatzidaki-Livanis, M. et al. Gut symbiont Bacteroides fragilis secretes a eukaryotic-like ubiquitin protein that mediates intraspecies antagonism. mBio 8, doi:10.1128/mBio.01902-17 (2017).