尿路感染是臨床上較為常見的疾病之一，通常是由於病原菌附著在泌尿道上皮表面的糖鏈上而引發的感染。尿調節素（UMOD）是人類尿液中最豐富的一種蛋白，其作為糖基磷脂醯肌醇錨定的前體產生後，會被蛋白酶hepsin裂解，並組裝成平均長度約2.5 μm的均聚物長絲。
長期以來，人們一直懷疑這種蛋白可防止細菌與尿道聚糖結合，從而保護機體免受此類感染，但這種保護的基礎機制尚不清楚。
近日，由瑞士蘇黎世聯邦理工學院分子生物學與生物物理研究所帶領的一支研究團隊在《Science》上發表了一項研究，揭示了UMOD如何與尿道致病性大腸桿菌（UPEC）相互作用。他們發現 ：UMOD的細絲會充當細菌病原體的多價誘餌，由此產生的尿調節素-病原體聚集物能夠阻止細菌粘附到尿道上皮的糖蛋白上，並在尿液排出時促進病原體清除。
DOI: 10.1126/science.aaz9866
具體而言，為了說明UMOD聚合物中的聚糖排列，研究人員通過冷凍電子斷層掃描對UMOD細絲進行成像，發現UMOD絲由鋸齒形的骨架和側向伸出的臂組成。
接下來，研究人員探究了UMOD細絲與UPEC菌株Ⅰ型菌毛的粘附素FimH之間的相互作用。通過分析，他們首先確定了UMOD臂Asn275處的Man59聚糖是唯一可訪問的FimHL識別位點。
隨後，研究人員通過cryoET成像分析了UMOD細絲與Ⅰ型有毛和無毛型大腸桿菌細胞混合物的結合。實驗顯示，菌毛和UMOD之間的接觸部位主要在含有FimH的菌毛尖端。相比之下，沒有UMOD細絲聚集在無毛細胞或用彈性蛋白酶消化形式的UMOD孵育的有毛細胞周圍。這表明，大腸桿菌-UMOD的結合需要同時存在Ⅰ型菌毛和糖基化的UMOD臂。
Umod與有毛細菌結合併可能導致細胞聚集
進一步的分析表明，複雜類型的UMOD聚糖可能與不同的尿路致病菌呈現的不同類型的菌毛粘附素相互作用。這一點在隨後的研究中得到證實。
研究人員在對尿路感染患者未經處理的尿液進行分析後發現，大腸桿菌所致尿路感染患者的尿液顯示，細菌團塊被嵌入纖維結構中。同一樣品中的個別細菌菌毛嚴重，並始終被許多UMOD細絲包圍。同時，在其他病原體（包括肺炎克雷伯菌，銅綠假單胞菌和鏈球菌鏈球菌）所致尿路感染患者的尿液也觀察到了類似的情況。
尿路感染患者的尿液顯示細胞聚集以及菌毛介導的Umod與細菌細胞的關係
作者強調，與鏈狀沙門氏菌細胞的抗體交聯的團塊有助於從腸道中清除病原體的機制相似，UMOD介導的細胞聚集可能有助於通過排尿有效清除細菌。
總結而言，這項研究在分子水平上揭示了UMOD細絲如何與人尿中的致病性大腸桿菌細胞相互作用，這些結果為理解UMOD的保護功能提供了結構基礎。
參考資料：
[1] https://science.sciencemag.org/content/369/6506/1005
來源：生物探索