“Nat Microbiol∣ OmcZ蛋白的结构，决定了纳米线组装和导电机制”
文献信息：
Yangqi Gu, Matthew J. Guberman-Pfeffer, Vishok Srikanth, Cong Shen, Fabian Giska, Kallol Gupta, Yuri Londer, Fadel A. Samatey, Victor S. Batista, and Nikhil S. Malvankar.
https://doi.org/10.1038/s41564-022-01315-5
Nature Microbiology 影响因子：28.3
背景介绍
由硫地杆菌属（Geobacter）产生的OmcZ纳米线具有高电子导电性（>30 S cm-1）。在G. sulfurreducens中存在的111种细胞色素中，OmcZ是唯一已知的纳米线形成的细胞色素，对于长距离（>10 µm）胞外电子传输至关重要。然而，OmcZ纳米线的组装和高导电性的机制尚不清楚。
在这里，作者报道了OmcZ纳米线的3.5-Å分辨率冷冻电子显微镜结构。结构显示线性和紧密堆叠的血红素，可能解释了导电性。表面暴露的血红素和电荷相互作用解释了OmcZ纳米线如何结合到不同的胞外电子受体上，以及纳米线网络在不同的生化环境中如何重新排列。体外研究解释了G. sulfurreducens如何利用一种丝氨酸蛋白酶来控制OmcZ单体组装成纳米线。作者发现，OmcZ和丝氨酸蛋白酶在环境中重要的细菌和古细菌中普遍存在，从而确立了纳米线生物发生在不同物种和环境中的普遍性。
图文解读
图1 | 纯化的OmcZ纳米线的冷冻电子显微镜结构
a、G. sulfurreducens中OmcZ纳米线的凝胶过滤色谱图。纯化样品的色谱图，显示在280 nm处的蛋白（紫色）和在410 nm处的血红素c（红色）的痕迹。插图：蔗糖梯度。
b、纯化的OmcZ纳米线的考马斯亮蓝染色SDS-PAGE凝胶。
c、纯化的OmcZ纳米线的负染透射电子显微镜图像。
d、e、纯化的OmcZ纳米线的代表性冷冻电子显微镜图（d）和2D平均图（e）。
比例尺，50 nm（c）、20 nm（d）和5 nm（e）。
f、OmcZ中高度线性的血红素链。
g、OmcZ单体的结构。
h、通过将侧链拟合到电子显微镜密度中来说明冷冻电子显微镜地图的质量。
图2 | OmcZ中血红素的线性排列和更紧密的
堆叠比OmcS更紧密
a、b、OmcZ（a）与OmcS单体（b）中血红素的排列。
c、d、所有OmcZ残基的进化保守性图谱（c）以及距离血红素4 Å内的血红素周围残基（d）。
所有连续的三对组氨酸在进化上是保守的（e），并且更紧密地锁定血红素（f）。
a、b、OmcZ（a）和OmcS（b）纳米线中血红素的溶剂暴露度更高。
c、d、OmcZ中的血红素II结合基序为非规范的（CX14CH）（c），而OmcS中为常规的（CXXCH）（d）。
e、OmcZ纳米线完全还原可溶性细胞外电子受体Fe(III)柠檬酸盐。
f、没有血红素II环的OmcZ显示出比WT OmcZ纳米线更慢的Fe(III)柠檬酸盐还原速率。
g、pH 7下OmcZ和OmcS纳米线的静电势。
h、OmcZ纳米线比OmcS纳米线更慢地还原不溶性电子受体Fe(III)氧化物。数值显示还原细胞色素纳米线的比例，由α带吸收面积测量（λ = 543–562 nm），平均值 ± 标准偏差（n = 3生物复制品）。
a、OmcZ纳米线的溶解度随着盐（NaCl）的离子强度增加而减小。
b、WT细胞在生理条件下形成OmcZ纳米线网络。
c、OmcZ纳米线只溶解在低离子强度的缓冲液中。
d、除非pH进一步增加（所有缓冲液均为20 mM），否则OmcZ纳米线会随着离子强度的增加而沉淀。
e-k、OmcZ纳米线超分子有序排列的示意图和相应的负染TEM图像：在6-氨基己酸存在下，OmcZ纳米线仍然聚集在一起（e，f）；在添加戊二酸后，OmcZ纳米线形成密集网络（g，h）；在己二胺存在下，OmcZ纳米线形成有序排列（i-k）。比例尺，20 nm（k），100 nm（b，e，f），200 nm（g，h）和500 nm（j）。
图5 | 一种蛋白酶介导的开关
调控OmcZ纳米线组装
a-d、在冷冻电镜结构中识别的推动OmcZ组装成纳米线的OmcZ单体界面相互作用。
a、血红素-血红素叠合相互作用。
b、静电相互作用。
c、疏水相互作用。
d、血红素芳香叠合相互作用。
e、血红素染色凝胶显示OzpA将OmcZ50裁剪成形成纳米线的OmcZ30。Lane 1：标记。Lane 2：未加OzpA的OmcZ50。Lane 3：OmcZ50 + OzpA（完整凝胶见附录图1）。
f，g、OmcZ50在OzpA裁剪前（f）和裁剪后（g）形成OmcZ纳米线的负染TEM图像。
h，i、2D平均图像（h）和平均功率谱（i）显示重组的OmcZ纳米线与原生纳米线的结构几乎相同。比例尺，100 nm（f），50 nm（g）和2 nm（h）。
j，k、AlphaFold预测的OmcZ50侧视图（j）和顶视图（k）以及置信度（pLDDT）分数。
l、OmcZ单体的冷冻电镜结构（青色）与OmcZ预测模型（红色）的叠加显示相似的结构。
m、OmcZ50和丝氨酸蛋白酶OzpA（粉色）形成的复合物的AlphaFold模型（附录视频1中的动画）。OmcZ50包含一个细胞色素OmcZ30（黄色）和一个糖结合结构域（紫色）。
n、OzpA的催化三联位于糖结合结构域的裁剪位点附近。
图6 | omcZ操纵子同源基因
在环境重要的细菌和古细菌中广泛存在
a、从OmcZ同源基因氨基酸序列对齐得到的系统发育树，使用100比特的截止分数。
b、omcZ操纵子同源基因在多种细菌和古细菌物种中发现。
c、通过将OmcZ纳米线（通过冷冻电镜解决，红色）和omcZ同源基因（通过AlphaFold模拟）的结构叠加显示高度相似的血红素排列，来自甲烷氧化ANME-2（青色）和甲烷产生的古细菌（甲烷梭菌目，黄色），分别具有GenBank ID MRG77204.1和CAG1009295.1。
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