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我校生物国重董浩浩教授团队在Nature Structural&Molecular Biology上发表文章——解析蛋白质机器 MlaFEDB 的结构和功能,揭示革兰氏阴性菌维持外膜不对称性的分子机理

时间:2020-11-22  来源:生物治疗国家重点实验室   作者: 

近日,我校华西医院生物治疗国家重点实验室董浩浩教授团队在国际权威期刊 Nature Structural & Molecular Biology上发表了题为 “Structural insights into outer membrane asymmetry maintenance in Gram-negative bacteria by MlaFEDB” 的研究论文。该研究工作由董浩浩教授团队,浙江大学医学院冷冻电镜中心主任张兴教授团队,及英国东安格利亚大学医学院董长江教授团队合作完成。我校生物治疗国家重点实验室副教授唐晓迪博士、浙江大学冷冻电镜中心负责人常圣海博士及我校博士研究生乔文为论文的并列第一作者。该研究得到了四川大学魏霞蔚教授和朱晓峰教授团队的支持。我校生物治疗国家重点实验室/国家老年疾病临床医学研究中心为该论文第一作者单位和通讯作者单位。

该研究揭示多重耐药细菌-革兰氏阴性菌用于转运外膜磷脂成分从而维持外膜不对称性结构的蛋白质机器复合物MlaFEDB,与其底物磷脂、AMP-PNP和ADP结合状态下的四个高分辨率冷冻电镜结构。通过对结构的分析,细胞体内功能研究,以及基于荧光共振能量转移技术 (FRET) 的体外磷脂转运实验,全面阐述该蛋白质机器重要功能位点及其高效能的转运机制。

细菌感染的耐药性是医学界的重大难题之一。革兰氏阴性菌(铜绿假单胞菌、肠杆菌、鲍曼不动杆菌)是临床常见,也是耐药菌最为集中的一类致病菌。它们特有的外膜结构在允许养分进入的同时能有效屏蔽抗生素药物的进入,从而产生耐药性。革兰氏阴性菌外膜的选择通透性归结于其内小叶磷脂层和外小叶脂多糖层的非对称性的构造。维持细菌外膜的非对称性对于革兰氏阴性菌的存活具有重要意义。非对称脂质维持蛋白MlaFEDBCA (Maintenance of lipid asymmetry) 通过回收细菌错误分布在外膜外小叶的磷脂来维持外膜非对称性结构,对于维持革兰氏阴性菌外膜稳定性起到了重要的作用。

该复合体在细菌内膜和外膜之间形成转运通道。首先,外膜蛋白复合体MlaA/OmpF (C) 将外膜外小叶中的磷脂转运给周质蛋白 MlaC, 而MlaFEDB作为一个ABC转运体蛋白,位于细菌内膜上,负责通过ATP水解耗能的方式将周质蛋白MlaC结合的磷脂进行抽提,再将其转运到内膜。有意思的是,该研究发现MlaFEDB的底物结合腔中结合磷脂亲水头的功能位点处于底物结合腔的中间位置,两边的氨基酸均为疏水残基,这预示着磷脂将有可能以正反两种方式结合。体外磷脂转运实验同时证实MlaFEDB参与磷脂双向转运的可能性。不同的是,外膜磷脂向内转运需要依赖ATP能量,而将内膜磷脂向外转运则是非能量的扩散现象。该蛋白质机器发现具有双向转运可能的细菌ABC转运体蛋白,虽然目前现阶段 MlaFEDB更被相信其首要功能是通过消耗能量将外膜中的磷脂逆向转运到内膜,以维持外膜结构的非对称性。此外,该研究通过突变和转运实验确定了多个提高细菌药物敏感度的功能位点,这些功能位点可作为新型抗菌素设计的有效靶点。总之,该研究对抵抗超级细菌感染的新型药物研发开辟了新方向,具有重要的指导意义。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41594-020-00532-y


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