責編｜酶美
沃爾巴克氏菌 (Wolbachia) 可通過誘導兩性配子結合時的胞質不相容性現象（Cytoplasmic Incompatibility，CI）導致蚊蟲“不孕不育”，從而達到控制蚊蟲種群數量的目的，是一種高效綠色的生物防治方法。利用該技術可有效控制登革熱、寨卡等蚊媒疾病在世界範圍內的傳播，據新加坡國家環境局2021年7月公布的數據顯示，投放感染Wolbachia的雄蚊的地區相較于未投放區域，蚊蟲數量銳減98%，當地登革熱發病率下降88% （https://www.nea.gov.sg）。胞質不相容性是由兩種相互關聯的蛋白導致的，分別被稱爲胞質不相容性因子A (CI factor A, CifA) 和胞質不相容性因子B (CifB)。
在先前的研究中，天津大學、上海科技大學、重慶醫科大學、耶魯大學聯合研究團隊發現CI因子之間的互作是Wolbachia産生CI現象的關鍵因素（PNAS，2021）。該研究團隊據此提出新的設想：能否通過操縱CI因子的互作控制CI現象？這將爲設計新型CI因子以更有效地控制蚊媒病毒傳播提供重要工具。
2022年3月25日，該聯合科研團隊在Nature Communications上發表題爲 Crystal Structures of Wolbachia CidA and CidB Reveal Determinants of Bacteria-induced Cytoplasmic Incompatibility and Rescue 的研究論文，報道了通過設計沃爾巴克氏菌胞質不相容性因子，實現了人工操縱胞質不相容。這種本由細菌引發的胞質不相容性現象被用于控制蚊蟲種群的數量，從而達到防治蟲媒疾病的目的。此項研究成果是該團隊近期繼揭示胞質不相容性的分子機制之後（詳見：PNAS | 破解利用細菌導致蚊子“不孕不育”的分子機制），在抗蚊媒疾病研究領域取得的又一重要進展。
研究團隊對來自兩種不同的Wolbachia菌株（wPip、wMel）的CI因子進行了全面的結構、生化和功能研究。由于其中CifB具有去泛素化酶活性（deubiquitylase），這些因子被命名爲Cid（包括CidAwMel-CidBwMel，CidAwPip-CidBwPip）。研究團隊首先利用晶體學和AlphaFold預測結合的方法解析了兩類不同CI因子的複合物結構（圖1a-b）。他們以結構分析爲基礎，對野生型CidAwMel進行了人工改造，即將其負責和CidBwMel相互作用的氨基酸替換爲來自另一菌株CidAwPip的對應區域，得到名爲CidAwMel(ST)的人工嵌合蛋白。在隨後功能測試中， CidAwMel(ST)果然能與來自不同菌株的CidBwPip發生相互作用，且能夠拯救CidBwPip誘導的酵母生長缺陷（圖1c-d），與預期結果相符。他們還發現，如果將人工嵌合蛋白CidAwMel(ST)相互作用界面氨基酸分別進行回複突變（得到CidAwMel(ST-1)~CidAwMel(ST-9)）， CidAwMel(ST-4)/ CidAwMel(ST-7)/ CidAwMel(ST-9)不能與CidBwPip互作，也不能拯救CidBwPip誘導的酵母生長缺陷（圖1d），表明這些區域對于CidAwMel(ST)-CidBwPip的結合起關鍵作用。最後，研究團隊成功解析了CidAwMel(ST)-CidBwPipND1-ND2的複合物結構，證實了人工設計CI因子互作界面氨基酸對結合特異性的貢獻（圖1e）。
以上研究通過人工設計CI因子並調控它們間的相互作用，首次實現了人工操縱胞質不相容，也對今後利用Wolbachia和CI防控蚊媒疾病和農業蟲害具有重要意義。
圖1. 人工設計的CI因子操縱CI的産生和拯救。
(a) CidAwPip(Tunis)-CidBwPip(Tunis)ND1-ND2複合物三維空間結構；(b) CidAwMel -CidBwMel ND1-ND2複合物Alphafold預測模型；(c) 人工嵌合蛋白CidAwMel（ST）能與來自不同菌株的CidBwPip産生相互作用，界面氨基酸進行回複突變則使得突變蛋白不能與CidBwPip互作，其中區域4、7和9在結合中起重要作用；(d) 人工嵌合蛋白CidAwMel（ST）能夠拯救CidBwPip誘導的酵母生長缺陷；(e) CidAwMel(ST) -CidBwPip(Pel) ND1-ND2複合物三維空間結構。
上海科技大學與天津大學聯合培養博士研究生王鎬鋒、天津大學生命科學學院博士後肖雲傑、博士研究生陳俠爲本論文的並列第一作者。上海科技大學免疫化學研究所和生命科學與技術學院雙聘教授楊海濤、天津大學生命科學學院教授王澤方、重慶醫科大學生命科學研究院副教授王炜、耶魯大學教授Mark Hochstrasser爲該研究論文的共同通訊作者。此外，上海科技大學免疫化學研究所研究員、生命科學與技術學院助理教授白芳，免疫化學研究所副研究員張兵，免疫化學研究所研究員、生命科學與技術學院助理教授李俊，生命科學與技術學院副教授沈偉也參與了本項工作。
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https://doi.org/10.1038/s41467-022-29273-w
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