2022年3月25日，天津大学生命科学学院王泽方教授团队在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表题为“Crystal Structures ofWolbachiaCidA and CidB Reveal Determinants of Bacteria-induced Cytoplasmic Incompatibility and Rescue”的研究论文，报道了通过设计沃尔巴克氏菌胞质不相容性因子，实现了人工操纵胞质不相容。这种本由细菌引发的胞质不相容性现象被用于控制蚊虫种群的数量，从而达到防治虫媒疾病的目的。此项研究成果是王泽方教授团队近期继揭示胞质不相容性的分子机制之后（详见PNAS｜破解利用细菌导致蚊子“不孕不育”的分子机制），在抗蚊媒疾病研究领域取得的又一重要进展。
沃尔巴克氏菌(Wolbachia)可通过诱导两性配子结合时的胞质不相容性现象（Cytoplasmic Incompatibility，CI）导致蚊虫“不孕不育”，从而达到控制蚊虫种群数量的目的，是一种高效绿色的生物防治方法。利用该技术可有效控制登革热、寨卡等蚊媒疾病在世界范围内的传播，据新加坡国家环境局2021年7月公布的数据显示，投放感染Wolbachia的雄蚊的地区相较于未投放区域，蚊虫数量锐减98%，当地登革热发病率下降88%（https://www.nea.gov.sg）。胞质不相容性是由两种相互关联的蛋白导致的，分别被称为胞质不相容性因子A (CI factor A, CifA)和胞质不相容性因子B (CifB)。在先前的研究中，该团队发现CI因子之间的互作是Wolbachia产生CI现象的关键因素（Xiao et al., PNAS，2021）。该研究团队据此提出新的设想：能否通过操纵CI因子的互作控制CI现象？这将为设计新型CI因子以更有效地控制蚊媒病毒传播提供重要工具。
为了验证以上设想，在这篇发表于《自然-通讯》的文章中，该团队对来自两种不同的Wolbachia菌株（wPip、wMel）的CI因子进行了全面的结构、生化和功能研究。由于其中CifB具有去泛素化酶活性（deubiquitylase），这些因子被命名为Cid（包括CidAwMel-CidBwMel，CidAwPip-CidBwPip）。该研究团队首先利用晶体学和AlphaFold预测结合的方法解析了两类不同CI因子的复合物结构（图1a-b）。他们以结构分析为基础，对野生型CidAwMel进行了人工改造，即将其负责和CidBwMel相互作用的氨基酸替换为来自另一菌株CidAwPip的对应区域，得到名为CidAwMel(ST)的人工嵌合蛋白。在随后功能测试中，CidAwMel(ST)果然能与来自不同菌株的CidBwPip发生相互作用，且能够拯救CidBwPip诱导的酵母生长缺陷（图1c-d），与预期结果相符。他们还发现，如果将人工嵌合蛋白CidAwMel(ST)相互作用界面氨基酸分别进行回复突变（得到CidAwMel(ST-1)~CidAwMel(ST-9)）， CidAwMel(ST-4)/ CidAwMel(ST-7)/ CidAwMel(ST-9)不能与CidBwPip互作，也不能拯救CidBwPip诱导的酵母生长缺陷（图1d），表明这些区域对于CidAwMel(ST)-CidBwPip的结合起关键作用。最后，研究团队成功解析了CidAwMel(ST)-CidBwPipND1-ND2的复合物结构，证实了人工设计CI因子互作界面氨基酸对结合特异性的贡献（图1e）。
以上研究通过人工设计CI因子并调控它们间的相互作用，首次实现了人工干预的胞质不相容，也对今后利用Wolbachia和CI防控蚊媒疾病和农业虫害具有重要意义。
图1.人工设计的CI因子操纵CI的产生和拯救。
(a) CidAwPip(Tunis)-CidBwPip(Tunis)ND1-ND2复合物三维空间结构；(b) CidAwMel-CidBwMelND1-ND2复合物Alphafold预测模型；(c)人工嵌合蛋白CidAwMel（ST）能与来自不同菌株的CidBwPip产生相互作用，界面氨基酸进行回复突变则使得突变蛋白不能与CidBwPip互作，其中区域4、7和9在结合中起重要作用；(d)人工嵌合蛋白CidAwMel（ST）能够拯救CidBwPip诱导的酵母生长缺陷；(e) CidAwMel(ST) -CidBwPip(Pel)ND1-ND2复合物三维空间结构。
天津大学生命科学学院博士研究生王镐锋、博士后肖云杰、博士研究生陈侠为本论文的并列第一作者，天津大学生命科学学院王泽方教授为论文的共同通讯作者，天津大学为本论文的第一通讯单位。参与单位为上海科技大学、重庆医科大学、耶鲁大学、上海交通大学及南京大学。晶体衍射数据收集得到上海同步辐射光源和国家蛋白质（上海）设施的帮助。本项研究得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金以及天津市杰出青年科学基金等项目的支持。