撰文 | 十一月
革兰氏阴性菌的外膜（Outer membrane）与肽聚糖之间的连接对于维持细胞完整性以及在恶劣环境中的生存至关重要。外膜的功能依赖于外膜蛋白，外膜蛋白通过BAM复合体（β-barrel assembly machine）插入到膜中。生长中的大肠杆菌等会通过二元分离的过程将旧的外膜蛋白分向两极【1-2】，但是其分布机理并不清楚。
2022年6月15日，英国纽卡斯尔大学Waldemar Vollmer研究组与英国牛津大学Colin Kleanthous研究组合作发文题为Peptidoglycan maturation controls outer membrane protein assembly，发现革兰氏阴性菌通过肽聚糖成熟过程协调外膜蛋白的生物发生过程，这一潜在靶标可以在未来抗生素的设计中加以应用。
BAM复合体由BamA以及四个附属附属脂蛋白BamB、BamC、BamD和BamE组成【3】。BamA对于细菌的生存能力至关重要。因此，是革兰氏阴性菌特异性抗生素开发的一个潜在靶点。BamA催化外膜蛋白折叠的机制研究较多，但是对于生长过程中外膜蛋白不对称的生物发生过程知之甚少。
为了确定外膜蛋白出现的具体位置以及其插入外膜的过程是否受到调控，作者们首先确定BamA在大肠杆菌的定位。通过标记高亲和力Fab单克隆抗体后，作者们发现BamA后聚集成小的、在细胞表面均匀分布的“岛屿”，平均直径约为150nm。Fab单克隆抗体的结合并不会影响细菌的正常生长。进一步地，作者们希望确定BamA与新和成外膜蛋白出现在的表面的相对位置。作者们使用质粒在大肠杆菌中表达外膜蛋白，并利用阿拉伯糖进行诱导。作者们发现外膜蛋白在诱导后会出现在细菌表面。
图1 外膜蛋白与BAM的定位
作者们发现BamA的定位与外膜蛋白的插入位点之间存在差异（图1）。BamA相对均匀分布在整个细胞表面，但是外膜蛋白的生物发生局限于细胞长轴以及分裂位点。这说明，BamA虽然分布均匀，但是其催化外膜蛋白插入的活性并非均匀分布，其活性受到细胞周期依赖的调控。
肽聚糖（Peptidoglycan，PG）是由短肽连接的聚糖链组成的，在外膜下形成一层薄的网状层。外膜蛋白的生物发生模式与大肠杆菌中肽聚糖的生物发生模式相似【4】。因此，作者们通过共同标记实验确认了肽聚糖与外膜蛋白生物发生之间的相关性（图2），通过荧光标记等确认外膜蛋白和肽聚糖的生物发生模式紧密地相互镜像，这表明细菌细胞包膜的这两层之间存在广泛的相互作用。
图1 外膜蛋白生物合成与肽聚糖的相关性
随后通过pull-down实验，作者们确认了BAM蛋白与大肠杆菌分离的肽聚糖之间直接的相互作用。作者们想知道肽聚糖的不同组成是否对细胞周期依赖外膜蛋白的生物合成过程有影响。因此，作者们检测了四肽聚糖（成熟的肽聚糖）以及五肽聚糖（新生的肽聚糖）对于BAM与肽聚糖之间相互作用的影响。作者们的结果发现，BAM对于成熟的四聚糖具有更高的亲和性。
由于成熟肽聚糖以及新生肽聚糖在体外对于外膜蛋白折叠活性的不同，作者们进一步想在体内对这一结论进行检测。作者们的检测方式主要有两个，一个是通过抗生素改变肽聚糖，一个是通过引入突变体改变肽聚糖。所得到的结果证明在大肠杆菌体内肽聚糖通过成熟度调节外膜蛋白的分布模式。
图3 工作模型
总的来说，作者们的工作发现成熟的富含四肽的肽聚糖与BAM结合调节其活性，而新生的肽聚糖与BAM结合较弱因而对其活性影响不大，这导致外膜蛋白具有细胞周期依赖的生物合成活性（图3）。这一发现对通过肽聚糖成熟反应进行抗生素设计提供了新的思考。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04834-7
制版人：十一
参考文献
1. Voulhoux, R., Bos, M. P., Geurtsen, J., Mols, M. & Tommassen, J. Role of a highly conserved bacterial protein in outer membrane protein assembly. Science 299, 262–265 (2003).
2. Wu, T. et al. Identification of a multicomponent complex required for outer membrane biogenesis in Escherichia coli. Cell 121, 235–245 (2005)
3. Han, L. et al. Structure of the BAM complex and its implications for biogenesis of outer-membrane proteins. Nat. Struct. Mol. Biol. 23, 192–196 (2016).
4. Ryter, A., Hirota, Y. & Schwarz, U. Process of cellular division in Escherichia coli. Growth pattern of E. coli murein. J. Mol. Biol. 78, 185–195 (1973)
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