Nature:破解保守性细菌细胞壁构建蛋白RodA的结构
2018/04/03
细菌细胞壁是保护细菌免遭外部袭击的 “砌体”,也一直是药物治疗的诱人靶标。现代医学中,一些最可靠的抗生素消除有害细菌的机制就是通过破坏构建这种保护性细胞壁的蛋白。

图片来源:Janet Iwasa/Harvard Medical School

近日,哈佛大学的科学家报告称,他们发现细胞壁有一个被忽视的弱点:一类造壁蛋白显示出一个空腔,这一空腔或可被抗生素靶向。相关结果于3月28日被发表在Nature杂志上。论文的通讯作者是哈佛医学院生物化学和分子药理学副教授、高级研究员Andrew Kruse。

2016年,该研究小组发现,一个调节细胞分裂和细胞形状的蛋白家族(即SEDS)有一种构建细菌细胞壁的技能。不过,由于科学家们对它们的分子结构知之甚少,因此一直没有任何攻击这类蛋白的方法。现在,这项新发现预示着SEDS在灰色地带享受的保护可能很快就会消失了。

发现空腔

哈佛大学的科学家们表示,他们扩展了早期的研究,确定了原始的SEDS蛋白RodA是肽聚糖聚合酶,同时,他们指出了RodA的一个弱点。

文章作者写道:“我们报道了嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)RodA的晶体结构,分辨率为2.9 Å,该结构揭示了具有大的细胞外环的十次跨膜折叠,其中一个部分是无序的。此外,RodA在跨膜区含有高度保守的空腔,使人联想到跨膜受体中的配体结合位点。”

这个空腔吸引了科学家的注意,因为它面向蛋白质的外表面。腔体的大小和形状,以及它可以从外部进入的事实,使它成为一个特别吸引人的药物靶点。哈佛医学院微生物学和免疫生物学教授、论文合著者之一David Rudner博士说:“令我们兴奋的是,该蛋白质有‘一个相当分散的口袋’(空腔),看起来很容易被一种药物有效地靶向,这种药物会与它结合并干扰蛋白质完成工作的能力。”

实验验证

在一系列的实验中,研究人员改变了两种细菌的RodA结构,这两种细菌是构成大多数致病细菌的教科书级代表。一种是大肠杆菌,它属于革兰氏阴性菌,具有双细胞膜,因其在微生物学中对染色试验的反应而得名。另一种是枯草芽孢杆菌,一种属于革兰氏阳性菌的单膜生物。

诱变实验表明,该空腔的扰动在体外和体内都消除了RodA功能,表明该空腔是催化必需的。当研究人员对两种细菌RodA的空腔结构进行了轻微的改变时,蛋白质就失去了工作能力。RodA结构被破坏的大肠杆菌和枯草芽孢杆菌细胞迅速扩大且变成畸形,最终破裂并泄漏其内容物。

研究意义

Andrew Kruse指出:“我们的最新发现揭示了RodA的分子结构,并确定了新抗菌药物可以结合并破坏其工作的靶点。”

Nature文章的作者们总结道:“高度的序列保守性、对突变的耐受性和中心腔周围残基的催化重要性证实了RodA蛋白的空腔在肽聚糖聚合中具有关键作用,这也将使其成为抗生素开发的主要靶标。”

责编:艾曼

参考资料:

Antibiotics May Have New Way to Tear Down Bacterial Walls

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  • Structure of the peptidoglycan polymerase RodA resolved by evolutionary coupling analysis

    The shape, elongation, division and sporulation (SEDS) proteins are a large family of ubiquitous and essential transmembrane enzymes with critical roles in bacterial cell wall biology. The exact function of SEDS proteins was for a long time poorly understood, but recent work1,2,3 has revealed that the prototypical SEDS family member RodA is a peptidoglycan polymerase—a role previously attributed exclusively to members of the penicillin-binding protein family4. This discovery has made RodA and other SEDS proteins promising targets for the development of next-generation antibiotics. However, little is known regarding the molecular basis of SEDS activity, and no structural data are available for RodA or any homologue thereof. Here we report the crystal structure of Thermus thermophilus RodA at a resolution of 2.9 Å, determined using evolutionary covariance-based fold prediction to enable molecular replacement. The structure reveals a ten-pass transmembrane fold with large extracellular loops, one of which is partially disordered. The protein contains a highly conserved cavity in the transmembrane domain, reminiscent of ligand-binding sites in transmembrane receptors. Mutagenesis experiments in Bacillus subtilis and Escherichia coli show that perturbation of this cavity abolishes RodA function both in vitro and in vivo, indicating that this cavity is catalytically essential. These results provide a framework for understanding bacterial cell wall synthesis and SEDS protein function.

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