哈佛團隊首次發現摧毀致病菌防御堡壘的關鍵結構

　　科學家們破解了常見細菌細胞壁組成蛋白質結構，為新抗菌療法奠定了基礎。

　　保護細菌免受外部攻擊的細胞壁一直是藥物研究的重要目標。在現代醫學界，最可靠的抗生素也是通過破壞細菌防御來瓦解有害細菌。

　　幾十年來，科學家們只發現了一個壁蛋白家族。直到2016年，來自哈佛醫學院的Andrew C. Kruse課題組才報道了一個前所未料的蛋白家族竟然是細菌保護性外壁的背后秘密建造者，塑形、伸長、分裂和孢子形成（shape, elongation, division and sporulation，SEDS）蛋白。

　　如今，Kruse團隊又開拓了另一項學術第一，首次發現了關鍵成員的一個致命結構弱點。3月28日，他們的新論文在《Nature》期刊發表。

　　“最近，我們鑒定了RodA的分子結構，并發現了可供新抗生素靶向結合、干擾其工作的關鍵位點，”文章通訊作者、哈佛醫學院生化和分子藥理學副教授Andrew Kruse說。

　　幾乎所有細菌都含有SEDS蛋白，這一屬性使其成為廣譜抗生素開發的理想靶標。然而，SEDS蛋白的確切功能長期以來人們都知之甚少，最近Kruse課題組的一些研究表明典型的SEDS家族成員RodA蛋白是一個肽聚糖聚合酶。這是一個非同一般的角色，肽聚糖聚合酶被歸于青霉素結合蛋白家族成員（penicillin-binding protein family）。

　　這讓RodA成為了極具潛力的新一代抗生素開發靶標。由于缺乏RodA或其同系物的結構數據，有關SEDS活性的分子基礎也一直不得而知。

　　在這篇最新文章中，研究團隊以2.9?的高分辨率報告了嗜熱鏈球菌（Thermus thermophilus）RodA晶體結構，采用基于進化協方差的折疊預測確定了分子置換的可能性。

　　薄弱環節

　　科研團隊早期發現，RodA通過將大量糖分子和氨基酸簇編織在一起來修建細胞壁。細胞壁一旦建成，細菌就能在毒素、藥物和病毒等環境中保持內部功能和結構完整。

（藍色代表正在編織合成細胞壁的“成壁蛋白”；綠色代表腳手架蛋白；黃色的是合成好的細胞壁）

　　這篇文章指出了蛋白質堡壘修建過程中的一個薄弱環節。

　　具體來說，該結構顯示了10道跨膜折疊和大量胞外環，其中一個特別無序。蛋白跨膜結構域含有一個高度保守的空腔，使人聯想到跨膜受體的配體結合位點。這個類似口袋的腔面朝蛋白外表面，形狀、尺寸以及容易從外部接近等特點都讓其成為科學家眼中特別有吸引力的藥物靶點。

　　在一組實驗中，研究人員分別誘變了雙層細胞膜的革蘭氏陽性菌大腸桿菌（Escherichia coli）和單層細胞膜的革蘭氏陰性菌枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）的RodA結構，發現即使空腔結構僅發生輕微改變，大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的結構不穩定性就會迅速擴大，細胞變得畸形，直至坍塌、破裂和內容物泄漏。

　　“用化學抑制劑與這個口袋結合就可以干擾蛋白質制造和維護細菌壁的能力，”文章一作Megan Sjodt說。“本質上，它擊穿瓦解了細菌防護盾牌，并引發一個級聯反應，最終導致死亡。”

　　由于RodA在所有細菌物種中都高度保守，理論上只要開發一種抑制劑就能對抗多種有害細菌。

　　“結構生物學是最最基礎的研究領域，這些研究成果凸顯了基礎科研的發現之美，”文章合作者、微生物和免疫生物學教授Thomas Bernhardt說。