突破！拟杆菌的“超级工具包”解锁异源蛋白分泌新纪元！

摘要：拟杆菌属是人类肠道微生物群中丰富、普遍且稳定的成员，是开发慢性病长期干预措施的潜在底盘。然而，将拟杆菌设计为原位生物工厂需要高效的蛋白质分泌工具，而目前这些工具尚不完善。在本研究中，作者系统研究了在拟杆菌属中实现异源蛋白质分泌的方法。作者确定了一组分泌载体，这些载体可以高滴度跨多个拟杆菌属物种输出功能性蛋白质。为了解拟杆菌属分泌的机制驱动因素，作者表征了信号肽序列特征、分泌后细胞外命运和蛋白质货物的大小限制。为提高滴度并灵活控制蛋白质分泌，作者开发了一种强大的、自包含的、可诱导的表达回路。最后，作者在小鼠模型中验证了分泌载体在体内的功能。该工具包有望推动针对慢性胃肠道疾病长期生活治疗干预措施的开发。                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

在革兰氏阴性细菌中，蛋白分泌是一个复杂的过程，需要多种细胞机制的协同作用。尽管已知有11种不同的分泌系统（T1SS至T11SS），但这些系统在拟杆菌属中缺失或保守性差。拟杆菌属（Bacteroides）是人类肠道微生物中的丰富、普遍且稳定的成员，占据了肠道微生物组的重要比例。研究表明，拟杆菌属在健康成年人的肠道中可稳定定植长达五年之久。这些特性使其成为开发慢性疾病长期干预的潜在底盘微生物。然而，将拟杆菌工程化为原位生物工厂需要高效的蛋白分泌工具，而目前这些工具尚不完善。

2024年12月27日，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校生物工程系Shannon J. Sirk助理教授及其团队在Nature Communications发表题为“A molecular toolkit for heterologous protein secretion across Bacteroides species”的研究性文章。该研究突破了拟杆菌属在异源蛋白分泌方面的限制，为开发基于拟杆菌属的活体治疗药物提供了坚实的理论和技术基础。

在该研究中，作者首先筛选了来自拟杆菌的内源性分泌系统和大肠杆菌的外源性分泌系统。通过测试多种信号肽（SP）和全长分泌载体，研究发现拟杆菌自身的脂蛋白信号肽和全长蛋白载体能够高效分泌功能性抗体片段和报告蛋白，分泌量可达约440 μg/mL。相比之下，大肠杆菌的T1SS和T8SS分泌系统在拟杆菌中未能成功发挥作用，这可能是由于两者之间的系统发育距离较远。作者进一步评估了分泌后蛋白的命运，发现通过选择不同的分泌载体，可以将分泌蛋白定向到细胞外空间、外膜囊泡（OMV）表面或OMV腔内，这种精准定位能力为药物递送和诊断应用提供了更多可能性。作者还验证了这些分泌蛋白在多种拟杆菌属物种中的通用性，表明这些工具包不仅适用于单一物种，还能够在整个拟杆菌属中实现高效分泌。为进一步完善该平台，作者开发了一种强大的自诱导表达系统，能够驱动拟杆菌属中稳健的蛋白表达。此外，作者还确定了脂蛋白信号肽介导分泌的异源蛋白大小限制，并通过体内实验验证了该平台的活性。

该研究开发的分子工具包为利用拟杆菌属开发工程化活体治疗药物提供了重要技术支持。通过实现高效的异源蛋白分泌，该平台不仅能够用于治疗慢性疾病，还可以用于开发新型诊断工具。此外，该工具包还为研究肠道微生物与宿主之间的相互作用提供了新的工具，有望推动微生物组学研究的发展。

参考文献：

Yu-Hsuan Yeh, Vince W. Kelly, Rahman Rahman Pour, et al. A molecular toolkit for heterologous protein secretion across Bacteroides species. Nature Communications. Published online 11 November, 2024. doi:10.1038/s41467-024-53845-7.