當(dāng)代謝途徑的產(chǎn)物通過(guò)誘發(fā)該途徑中一種關(guān)鍵酶類(lèi)的活性的下降而減少其自身的產(chǎn)量時(shí)，就會(huì)發(fā)生反饋抑制，諸如此類(lèi)抑制會(huì)控制脂多糖分子（LPS，lipopolysaccharide）的產(chǎn)生，而LPS是某些細(xì)菌外膜的一個(gè)重要組成部分，長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直推測(cè)，負(fù)責(zé)調(diào)解LPS生物合成的反饋信號(hào)通路要么是LPS本身，要么就是其前體1，近日，一項(xiàng)刊登在國(guó)際雜志Nature上的研究報(bào)告中，Clairfeuille等人就通過(guò)研究報(bào)告，膜蛋白PbgA或許就是科學(xué)家們長(zhǎng)期尋找的大腸桿菌中的LPS信號(hào)轉(zhuǎn)換器，當(dāng)前的研究工作通過(guò)提供與LPS結(jié)合的蛋白的高分辨率結(jié)構(gòu)擴(kuò)展了科學(xué)家們對(duì)PbgA的理解。

大腸桿菌有兩種不同的膜結(jié)構(gòu)，即內(nèi)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(nèi)表面開(kāi)始進(jìn)行組裝，其組裝的速度受到了LpxC酶的控制，在LPS的產(chǎn)生完成之前，脂質(zhì)會(huì)被翻轉(zhuǎn)到內(nèi)膜的外表面進(jìn)行進(jìn)一步修飾，然后，完整的LPS會(huì)通過(guò)連接膜的蛋白橋運(yùn)輸?shù)酵饽さ耐獗砻妗Ｑ芯咳藛T分析了這種通路是如何被調(diào)節(jié)的，即內(nèi)膜上的PbgA如何通過(guò)與LapB相互作用來(lái)調(diào)節(jié)LpxC的活性，一種蛋白能夠引導(dǎo)酶類(lèi)FtsH去降解LpxC；因此，當(dāng)LPS的水平較低時(shí)，PbgA就會(huì)抑制LapB和FtsH之間的相互作用，從而穩(wěn)定LpxC并促進(jìn)LPS的生物合成。當(dāng)LPS分子的水平超過(guò)外膜的閾值時(shí)，LPS的運(yùn)輸就會(huì)停止，這樣LPS就會(huì)在內(nèi)膜的外表面發(fā)生積聚，這或許就會(huì)引發(fā)潛在的致命性不規(guī)則膜結(jié)構(gòu)的形成，通過(guò)感知LPS的積累，PbgA就會(huì)釋放對(duì)LapB–FtsH的抑制，這樣LpxC就會(huì)被降解從而減少LPS的生物合成并恢復(fù)脂質(zhì)-LPS的平衡。

脂多糖調(diào)節(jié)子的精細(xì)化結(jié)構(gòu)或有望幫助開(kāi)發(fā)新型抗生素
圖片來(lái)源：Russell E. Bishop. Nature 584, 348-349 (2020) doi:10.1038/d41586-020-02256-x

研究者表示，攜帶截?cái)嘈问絇bgA的大腸桿菌仍然能夠存活，但卻會(huì)長(zhǎng)期缺乏LPS，在這些突變體中，磷脂會(huì)遷移到外膜的外表面從而產(chǎn)生混合膜結(jié)構(gòu)，這種混合膜結(jié)構(gòu)中包含散布在LPS-磷脂膜區(qū)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(jìn)入細(xì)胞。此前研究結(jié)果表明，當(dāng)磷脂分子存在于外表面時(shí)，一種被稱(chēng)為棕櫚酸酯的油脂官能團(tuán)就會(huì)被納入到LPS中，如今研究者在PbgA突變體的外膜LPS中發(fā)現(xiàn)了棕櫚酸酯。此外，研究人員還使用X射線晶體衍射學(xué)技術(shù)以1.9A的分辨率解析了PbgA的結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)，PbgA屬于一個(gè)包含EptA蛋白的酶類(lèi)家族，EptA蛋白能對(duì)LPS的脂質(zhì)A結(jié)構(gòu)域添加磷脂衍生的分子修飾，脂質(zhì)A由兩個(gè)磷酸化的糖分子組成，通過(guò)修飾這些磷酸基團(tuán)，EptA就能為細(xì)胞提供與脂質(zhì)A結(jié)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(jié)合，隨后他們重新評(píng)估了PbgA的低分辨率結(jié)構(gòu)，結(jié)果證實(shí)了PbgA能與LPS的脂質(zhì)A結(jié)構(gòu)域結(jié)合，盡管磷脂部分占據(jù)了結(jié)合LPS附近的一個(gè)位點(diǎn)，但PbgA已經(jīng)失去了EptA用來(lái)催化LPS修飾的氨基酸側(cè)鏈，而PbgA是否能夠保留酶的活性還有待于進(jìn)一步確定。PbgA是一種能被改造成為受體的蛋白質(zhì)，其能在內(nèi)膜的外表面感知LPS，該結(jié)構(gòu)或許就支持了一種模型，即PbgA–LapB–FtsH–LpxC的調(diào)節(jié)回路或許能作為一種控制機(jī)制，調(diào)節(jié)LPS的生物合成來(lái)滿足細(xì)胞之間相互連接的雙膜的物理需求，實(shí)際上，研究人員也證實(shí)了PbgA和LapB在膜中發(fā)生直接物理相互作用的發(fā)現(xiàn)。但是，LPS-PbgA結(jié)合如何釋放PbgA對(duì)LapB-FtsH相互作用的抑制作用或許仍然是個(gè)未知數(shù)。

研究者Clairfeuille及其同事通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，PbgA能通過(guò)一個(gè)連接域與脂質(zhì)A基團(tuán)進(jìn)行結(jié)合，其所使用的的氨基酸序列在任何其它LPS結(jié)合蛋白中并未進(jìn)行報(bào)道，這種LPS結(jié)合基團(tuán)的突變或許就會(huì)抑制PbgA的功能，在最后一組實(shí)驗(yàn)中，研究者證實(shí)了基于這種序列的合成肽類(lèi)能夠結(jié)合LPS并抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，而通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，研究人員就能改善肽類(lèi)的抗生素抗生素譜和效力。

多粘菌素能通過(guò)兩個(gè)磷酸化的糖分子（但PbgA只有一個(gè)結(jié)合位點(diǎn)）結(jié)合脂質(zhì)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后手段，同時(shí)其還能增加外膜的通透性，從而使得細(xì)菌對(duì)更有效的抗生素變得敏感，研究者指出，PbgA衍生的肽類(lèi)也能使細(xì)菌對(duì)其它抗生素變得敏感，其能與粘菌素協(xié)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(shù)不多的沒(méi)有明確功能的必須蛋白質(zhì)之一，PbgA也是LPS的信號(hào)轉(zhuǎn)到器，其能為開(kāi)發(fā)新型抗生素提供一定的思路和希望。

【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