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哈佛团队首次发现摧毁致病菌防御堡垒的关键结构

生物通 2021-05-10 15:27:43

Kruse团队又开拓了另一项学术第一,首次发现了关键成员的一个致命结构弱点。3月28日,他们的新论文在《Nature》期刊发表,为新抗菌疗法奠定了基础。

科学家们破解了常见细菌细胞壁组成蛋白质结构,为新抗菌疗法奠定了基础。

保护细菌免受外部攻击的细胞壁一直是药物研究的重要目标。在现代医学界,最可靠的抗生素也是通过破坏细菌防御来瓦解有害细菌。


几十年来,科学家们只发现了一个壁蛋白家族。直到2016年,来自哈佛医学院的Andrew C. Kruse课题组才报道了一个前所未料的蛋白家族竟然是细菌保护性外壁的背后秘密建造者,塑形、伸长、分裂和孢子形成(shape, elongation, division and sporulation,SEDS)蛋白。


如今,Kruse团队又开拓了另一项学术第一,首次发现了关键成员的一个致命结构弱点。3月28日,他们的新论文在《Nature》期刊发表。


“最近,我们鉴定了RodA的分子结构,并发现了可供新抗生素靶向结合、干扰其工作的关键位点,”文章通讯作者、哈佛医学院生化和分子药理学副教授Andrew Kruse说。


几乎所有细菌都含有SEDS蛋白,这一属性使其成为广谱抗生素开发的理想靶标。然而,SEDS蛋白的确切功能长期以来人们都知之甚少,最近Kruse课题组的一些研究表明典型的SEDS家族成员RodA蛋白是一个肽聚糖聚合酶。这是一个非同一般的角色,肽聚糖聚合酶被归于青霉素结合蛋白家族成员(penicillin-binding protein family)。


这让RodA成为了极具潜力的新一代抗生素开发靶标。由于缺乏RodA或其同系物的结构数据,有关SEDS活性的分子基础也一直不得而知。


在这篇最新文章中,研究团队以2.9 Å的高分辨率报告了嗜热链球菌(Thermus thermophilus)RodA晶体结构,采用基于进化协方差的折叠预测确定了分子置换的可能性。


薄弱环节

科研团队早期发现,RodA通过将大量糖分子和氨基酸簇编织在一起来修建细胞壁。细胞壁一旦建成,细菌就能在毒素、药物和病毒等环境中保持内部功能和结构完整。



(蓝色代表正在编织合成细胞壁的“成壁蛋白”;绿色代表脚手架蛋白;黄色的是合成好的细胞壁)


这篇文章指出了蛋白质堡垒修建过程中的一个薄弱环节。


具体来说,该结构显示了10道跨膜折叠和大量胞外环,其中一个特别无序。蛋白跨膜结构域含有一个高度保守的空腔,使人联想到跨膜受体的配体结合位点。这个类似口袋的腔面朝蛋白外表面,形状、尺寸以及容易从外部接近等特点都让其成为科学家眼中特别有吸引力的药物靶点。


在一组实验中,研究人员分别诱变了双层细胞膜的革兰氏阳性菌大肠杆菌(Escherichia coli)和单层细胞膜的革兰氏阴性菌枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的RodA结构,发现即使空腔结构仅发生轻微改变,大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的结构不稳定性就会迅速扩大,细胞变得畸形,直至坍塌、破裂和内容物泄漏。


“用化学抑制剂与这个口袋结合就可以干扰蛋白质制造和维护细菌壁的能力,”文章一作Megan Sjodt说。“本质上,它击穿瓦解了细菌防护盾牌,并引发一个级联反应,最终导致死亡。”


由于RodA在所有细菌物种中都高度保守,理论上只要开发一种抑制剂就能对抗多种有害细菌。


“结构生物学是最最基础的研究领域,这些研究成果凸显了基础科研的发现之美,”文章合作者、微生物和免疫生物学教授Thomas Bernhardt说。


原文标题


Structure of the peptidoglycan polymerase RodA resolved by evolutionary coupling analysis