Nature背靠背 | 廖茂富团队等揭示细菌脂多糖的转运机制

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青霉素作为第一个抗生素，于1928年被发现并广泛应用。之后各种抗生素的开发和使用，使人类在与细菌的斗争中暂时占据了上风。然而，紧随抗生素使用而来的，是层出不穷的耐药性细菌。人类在进入“抗生素时代”的同时，也进入了 一个和细菌变异产生耐药性的的赛跑。事实上，人类正在输掉这场比赛。由于利润较低，制药公司普遍对发展新型抗生素敬而远之；对于细菌机制的研究也没能有效地开发出更多新的有效靶点。说人类正进入“后抗生素时代”，绝对不是危言耸听。世界卫生组织将抗生素耐药性作为人类最大的健康威胁之一，并于2015年发布了对抗耐药性微生物的全球行动计划（Global action plan on antimicrobial resistance）。

革兰氏阴性细菌是最难对付的耐药性病原体。在过去的50年里，没有一个新型的抗生素用于临床治疗革兰氏阴性细菌。消灭革兰氏阴性细菌最大的难点，是这些细菌具有双重脂膜：在常规的细胞质膜（内膜）之外，还有一个特殊的外膜。外膜的外侧含有大量紧密排列的脂多糖（lipopolysaccharide, 简称LPS），俗称内毒素（endotoxin）。LPS的存在使得外膜成为一道严密的屏障，将绝大部分对细菌有害的物质（包括各种抗生素）拒之门外。LPS最早在细胞内膜内侧合成，通过转运蛋白MsbA翻转到细胞内膜外侧(1),随后经过多蛋白复合体LptA-G将LPS从内膜外侧转运到外膜外侧【1-3】。Lpt多蛋白复合体共包括三个部分，内膜转运蛋白复合体LptB2FGC,膜间质蛋白LptA,外膜蛋白复合体LptDE。 虽然大部分Lpt蛋白的结构已经获得，但是没有任何已有的结构可以解析出LPS。所以，关于LptA-G复合体如何结合和转运LPS，具体的机制仍然不清楚。如果能揭示LPS的合成和转运机制，就可以指导开发出新型的抗生素来直接攻击外膜的合成，对外膜的破坏将会显著地提高各种抗生素的有效性。

 图1 多蛋白复合体LptABCDEFG转运LPS模型【3】

3月20日，Nature以Article长文在线了哈佛医学院廖茂富团队的研究成果：Structural basis of lipopolysaccharide extraction by the LptB2FGC complex。本文发表了大肠杆菌LptB2FG 和 LptB2FGC复合体的一系列冷冻电镜结构和解析，阐述了完整的内膜复合物LptB2FGC是如何准确识别LPS，以及如何产生特异性的构象变化来将ATP水解和LPS转运高效地耦合在一起。

这个研究结果解析了结合在LptB2FG复合体内LPS的精细结构，这是第一次LPS的结构在和Lpt蛋白的作用中被观测到。全长的LptC结构也是第一次被解析，展示了这个蛋白两个出乎意料的功能。首先，LptC的穿膜螺旋区域直接位于LptF和LptG的两个穿膜区之间，抑制它们的构象变化和ATP水解；当LPS进入蛋白穿膜区内部，LptF和LptG产生蛋白变化，才能迫使LptC离开原来所在的位置来允许ATP水解。其次，LptC的周质（periplasm）区域只有当LPS进入复合体内部（也就是，LptC的穿膜螺旋区域离开原来位置）时，才能有效地形成LPS的转运桥。这些从单颗粒电镜图像分析直接得出的新发现，都说明了LptC是细菌进化形成的高效LPS转运蛋白机器的“关键部件”。此项研究还使用ADP-钒酸盐（vanadate）将LptB2FGC复合物稳定在ATP结合时构象，用于冷冻结构解析。

这些结构分析展示了ATP的结合是如何导致LptF和LptG的穿膜区互相靠近，从而将原来稳定结合在两个穿膜区内部的LPS推出。这些研究结果综合说明了一个LPS转运的动态机制：1）开始时LptF和LptG的结合比较弱，穿膜区的内腔比较宽松，允许内膜上的LPS进入；2）在穿膜区内部的LPS同时吸引LptF和LptG，导致它们产生大范围的构象变化，将LptC的穿膜螺旋推离；3）LptC的离开相当于松开了闸门，允许ATP的结合和随之而来的穿膜区域的构象变化；4）这些构象变化最终将内部的LPS推出；5）随后的ATP水解和解离，重置LptB2FGC的构象，于是开始下一个转运周期。

同一天在线的，还有哈佛大学Daniel Kahne和合作者Andrew Kruse, Natividad Ruiz教授发表Letter Structural basis of unidirectional export of lipopolysaccharide to the cell surface。这些研究组通过X-ray晶体学的方法解析了Vibrio cholera, Enterobacter cloacae的LptB2FGC复合体的结构，并阐述了LPS单向转运的机制。对于以上两篇文章，加拿大麦吉尔大学Russell Bishop教授发表Nature News and Views Ratcheting up lipopolysaccharide transport，作了深度的综述和分析。

图2 Nature 相关论文截图

据悉，Nature Article论文共有三个作者，第一作者是哈佛医学院博士后李颜颜，共同第一作者Benjamin J Orlando, 通讯作者是哈佛医学院的廖茂富教授。廖教授团队课题研究集中在通过冷冻电镜技术来解析ABC转运蛋白及其它关键膜蛋白的转运机制，近三年共发表Nature研究论文4篇，Science研究论文2篇，Cell研究论文2篇。2017年，廖教授团队在Nature以Article长文发表MsbA-LPS复合体的电镜结构【4】，是LPS的精细结构第一次在LPS转运蛋白中被解析。李颜颜博士近十年一直从事有关脂多糖LPS的分子结构，致病机制及其转运机制的研究，将于2019年4月份加入西湖大学，继续从事有关LPS的研究。李颜颜欢迎对细菌机制研究领域感兴趣的博士后和研究生联系加盟（yanyanli1123@hotmail.com）。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1025-6

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1039-0

制版人：半夏

1. Li Y, Orlando B, Liao M. Structural basis of lipopolysaccharide extraction by the LptB2FGC complex. Nature, 2019

2. Owens T, Taylor R, Pahil K, Bertani B, Ruiz N, Kruse A, Kahne D. Structural basis of unidirectional export of lipopolysaccharide to the cell surface. Nature, 2019

3. Bishop R. Ratcheting up lipopolysaccharide transport, Nature, 2019.

4. Mi W, Li Y, Yoon SH, Ernst RK, Walz T, Liao M. Structural basis of MsbA-mediated lipopolysaccharide transport. Nature, 2017, 549(7671):233-237

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