Nature解讀!揭示脂多糖調節子的精細化結構或有望幫助開發新型抗生素

2020年8月21日 訊 /生物谷BIOON/ --當代謝途徑的產物通過誘發該途徑中一種關鍵酶類的活性的下降而減少其自身的產量時，就會發生反饋抑制，諸如此類抑制會控制脂多糖分子（LPS，lipopolysaccharide）的產生，而LPS是某些細菌外膜的一個重要組成部分，長期以來，科學家們一直推測，負責調解LPS生物合成的反饋信號通路要麼是LPS本身，要麼就是其前體1，近日，一項刊登在國際雜誌Nature上的研究報告中，Clairfeuille等人就通過研究報告，膜蛋白PbgA或許就是科學家們長期尋找的大腸桿菌中的LPS信號轉換器，當前的研究工作通過提供與LPS結合的蛋白的高解析度結構擴展了科學家們對PbgA的理解。

大腸桿菌有兩種不同的膜結構，即內膜（磷脂雙分子層）和外膜（LPS排列的外表面），LPS能在大腸桿菌的內表面開始進行組裝，其組裝的速度受到了LpxC酶的控制，在LPS的產生完成之前，脂質會被翻轉到內膜的外表面進行進一步修飾，然後，完整的LPS會通過連接膜的蛋白橋運輸到外膜的外表面。研究人員分析了這種通路是如何被調節的，即內膜上的PbgA如何通過與LapB相互作用來調節LpxC的活性，一種蛋白能夠引導酶類FtsH去降解LpxC；因此，當LPS的水平較低時，PbgA就會抑制LapB和FtsH之間的相互作用，從而穩定LpxC並促進LPS的生物合成。當LPS分子的水平超過外膜的閾值時，LPS的運輸就會停止，這樣LPS就會在內膜的外表面發生積聚，這或許就會引發潛在的致命性不規則膜結構的形成，通過感知LPS的積累，PbgA就會釋放對LapB–FtsH的抑制，這樣LpxC就會被降解從而減少LPS的生物合成並恢復脂質-LPS的平衡。

圖片來源：Russell E. Bishop. Nature 584, 348-349 (2020) doi:10.1038/d41586-020-02256-x

研究者表示，攜帶截斷形式PbgA的大腸桿菌仍然能夠存活，但卻會長期缺乏LPS，在這些突變體中，磷脂會遷移到外膜的外表面從而產生混合膜結構，這種混合膜結構中包含散布在LPS-磷脂膜區間的磷脂雙層斑塊，而磷脂雙層斑塊能允許抗生素和洗滌劑進入細胞。此前研究結果表明，當磷脂分子存在於外表面時，一種被稱為棕櫚酸酯的油脂官能團就會被納入到LPS中，如今研究者在PbgA突變體的外膜LPS中發現了棕櫚酸酯。此外，研究人員還使用X射線晶體衍射學技術以1.9A的解析度解析了PbgA的結構，他們發現，PbgA屬於一個包含EptA蛋白的酶類家族，EptA蛋白能對LPS的脂質A結構域添加磷脂衍生的分子修飾，脂質A由兩個磷酸化的糖分子組成，通過修飾這些磷酸基團，EptA就能為細胞提供與脂質A結合的抗生素的耐受性。

研究者表示，PbgA的外表面能與LPS分子緊密結合，隨後他們重新評估了PbgA的低解析度結構，結果證實了PbgA能與LPS的脂質A結構域結合，儘管磷脂部分佔據了結合LPS附近的一個位點，但PbgA已經失去了EptA用來催化LPS修飾的胺基酸側鏈，而PbgA是否能夠保留酶的活性還有待於進一步確定。PbgA是一種能被改造成為受體的蛋白質，其能在內膜的外表面感知LPS，該結構或許就支持了一種模型，即PbgA–LapB–FtsH–LpxC的調節迴路或許能作為一種控制機制，調節LPS的生物合成來滿足細胞之間相互連接的雙膜的物理需求，實際上，研究人員也證實了PbgA和LapB在膜中發生直接物理相互作用的發現。但是，LPS-PbgA結合如何釋放PbgA對LapB-FtsH相互作用的抑制作用或許仍然是個未知數。

研究者Clairfeuille及其同事通過研究發現，PbgA能通過一個連接域與脂質A基團進行結合，其所使用的的胺基酸序列在任何其它LPS結合蛋白中並未進行報導，這種LPS結合基團的突變或許就會抑制PbgA的功能，在最後一組實驗中，研究者證實了基於這種序列的合成肽類能夠結合LPS並抑制細菌的生長，而通過合理的設計，研究人員就能改善肽類的抗生素抗生素譜和效力。

多粘菌素能通過兩個磷酸化的糖分子（但PbgA只有一個結合位點）結合脂質A，多粘菌素抗生素粘菌素在臨床上常常被用作治療感染的最後手段，同時其還能增加外膜的通透性，從而使得細菌對更有效的抗生素變得敏感，研究者指出，PbgA衍生的肽類也能使細菌對其它抗生素變得敏感，其能與粘菌素協同作用，且不受EptA催化的LPS修飾的阻礙。PbgA是大腸桿菌中為數不多的沒有明確功能的必須蛋白質之一，PbgA也是LPS的信號轉到器，其能為開發新型抗生素提供一定的思路和希望。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

【1】Clairfeuille, T., Buchholz, K.R., Li, Q. et al. Structure of the essential inner membrane lipopolysaccharide–PbgA complex. Nature 584, 479–483 (2020). doi：10.1038/s41586-020-2597-x

【2】Russell E. Bishop. Structure of a lipopolysaccharide regulator reveals a road to new antibiotics, Nature 584, 348-349 (2020) doi: 10.1038/d41586-020-02256-x