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Nature:扼住超级细菌的“命门”

2014/08/07 来源:中国科学报
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导读
中科院生物物理所研究生乔帅在博士延期一年之时遇到了科研生涯的转折点,于Nature上发表了有关细菌脂多糖转运组装膜蛋白复合体结构的研究性文章,为设计抗击“超级细菌”药物铺平了道路。


中科院生物物理所研究生乔帅,博士毕业延期了一年。让他始料未及的是,自己的科研生涯在这段难熬的日子里居然柳暗花明了。

不久前,《自然》杂志刊登了其导师黄亿华领导的研究小组对细菌脂多糖转运组装膜蛋白复合体(LptD-LptE)的结构解析,为设计抗击“超级细菌”药物铺平了道路,乔帅是论文第一作者。

正因为此,在这个炎热的夏天,乔帅不仅能获得博士学位,而且在导师的推荐下,获得中科院院长特别奖。

双层膜抵抗药物

很多药物之所以对革兰氏阴性细菌发挥不了作用,或者药效很低,是因为许多革兰氏阴性细菌拥有双层膜结构,阻挡了药物进入细菌内部发挥作用。再加上细菌本身突变,产生了所谓的“超级细菌”。

今年6月,经过全民投票,英国广播公司把细菌耐药问题列为全球最大的科学问题。英国议会决定在未来5年投入1000万英镑资助解决这一难题的科学家。

黄亿华告诉记者,人类对脂多糖的研究已有百余年历史。脂多糖最早由德裔著名微生物学家Richard F. J. Pfeiffer发现。

一个世纪后,人体细胞上的脂多糖受体——Toll样受体4,被美国科学家puce Beutler发现。他也由此获得2011年诺贝尔生理或医学奖。

21世纪初,美国普林斯顿大学细菌遗传学家、美国科学院院士Thomas Silhavy和美国哈佛大学生物化学家Daniel Kahne,在脂多糖研究上再获新进展。他们发现,细菌脂多糖的跨膜转运以及在外膜上的组装,由7个脂多糖转运蛋白(LptA-F)负责完成。而定位于细菌外膜上的LptD-LptE膜蛋白复合体,完成了脂多糖(LptD-LptE)生成的最后一步,转运脂多糖跨过细菌外膜并组装形成细菌外膜的外小叶。

因此,LptD-LptE膜蛋白复合体可以说是革兰氏阴性细菌存活的关键。

0.024毫克/升的挑战

3年前,黄亿华从美国西南医学中心回国后,在实验室部署了这一重要研究项目,但未能取得明显进展。因为要研究脂多糖转运组装膜蛋白复合体的结构,首先需要有该复合体的晶体。

“脂多糖转运组装膜蛋白复合体在细菌膜上的含量很低。整个细菌表面只需200个LptD-LptE分子就能把任务完成,即把细菌胞质中合成的脂多糖分子输送到细菌表面并组装成细菌的外膜,所以含量很低。”黄亿华解释说。

与此同时,LptD-LptE含有两对二硫键,如果重组表达量太高,折叠就会乱套,蛋白又会失去活性,也无法提取。因此,如何提高LptD-LptE复合体的表达量以及重组表达蛋白的质量,从而获得高质量晶体用于结构测定,成为课题研究的巨大挑战。

“一般而言,在蛋白浓度为10毫克/毫升的情况下,可以尝试生长晶体。”乔帅告诉记者,经过优化的LptD-LptE重组表达量,在培养的细菌中仅为0.024毫克/升。因此,想获得足够量的蛋白用于筛选晶体,工作量很大。

3年前,乔帅来到黄亿华实验室读博士,接手该课题。如今,他已记不清为了LptD-LptE晶体,守着摇床熬了多少夜,优化了多少结晶生长条件。

与乔帅一样,黄亿华课题组其他几位成员同样非常努力。终于在今年春天,他们成功解析了来源于福氏志贺菌的LptD-LptE晶体结构,分辨率达到2.4埃。

这是一种前所未有的、由两个蛋白形成的“塞子—桶”结构模式,且一个整合膜蛋白(LptD)中,含有两对非连续的、跨结构域的二硫键。在LptD的跨膜区,由26条β链围成。这些独特的结构细节,不曾在以往的膜蛋白中发现过。

最重要的是,在这26条β链中,由于第1条和第2条β链各自存在一个脯氨酸,破坏了其规则二级结构的形成,从而削弱了和相邻β链之间的相互作用。因此,在组成β桶的第3和第26条β链间,创造了一个宽度为16埃的脂多糖出口,大小可允许脂多糖从桶壁上的出口侧向输入到脂双层中。这个脂多糖出口, 就是革兰氏阴性细菌的“命门”。

乘胜追击

论文发表后,乔帅的科研翻开了新的一页。这些天,他比以往更加努力地在实验室工作。见到记者时,他戴着天蓝色橡皮手套,不停地用吸管往一个个小玻璃瓶注入一种透明液体。

他表示,希望能确定脂多糖在这个复合体转运组装路径的精确位点以及新研发的药物是如何在该复合体上发挥功能的。

黄亿华毫不隐讳地公开了课题组的下一个目标:将根据此次解析的脂多糖复合体晶体结构以及该复合体和药物的共晶结构,开展相关药物研究。

加拿大麦克马斯特大学教授在同期《自然》杂志上发表了相关评述。他认为,鉴于脂多糖对于细菌生存的重要性,通过阻止脂多糖的生成杀灭细菌,将是新型抗生素设计的全新思路。有公司最新研发的环肽,已在治疗“绿脓杆菌”药物感染中取得成效,目前已进入临床二期试验,而这类药物的靶点正是脂多糖转运组装复合体。“这个课题组解析的LptD-LptE结构,可帮助业界设计和筛选更好的新型抗生素。这将为解决当今世界最大的科学问题之一 ——细菌的耐药问题带来希望。”

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