抗生素靶向维持包膜完整性的细菌蛋白

约翰霍普金斯大学医学研究人员研究了淡水湖和土壤中的细菌，他们称这是一个“令人惊讶”的发现，他们已经确定了一种蛋白质在维持微生物形状方面的重要作用。而且由于细菌细胞包膜的完整性是其存活的关键，这一发现可能会推动寻找新的更好的抗生素。

该团队的研究表明，在一种被广泛研究的革兰氏阴性细菌——新月形茎杆菌中，一种名为OpgH的蛋白质的缺失，会产生一系列活动，破坏保护微生物的细胞包膜，导致细胞死亡。OpgH是一种产生含葡萄糖分子的酶，这种分子被称为渗透调节的质周葡聚糖(OPGs)，它是保护性细胞包膜间隙凝胶的重要组成部分。

约翰霍普金斯大学医学院生物化学教授Erin Goley博士说:“在我们的实验中，当我们去除茎状杆菌细菌中的OpgH蛋白时，它会停止OPG糖分子的产生，细菌就无法存活。”

一般认为新月茎杆菌细菌不会引起疾病，但在革兰氏阴性细菌中大量发现的OPGs在抗生素耐药性和疾病结果中发挥作用。因此，更好地了解糖分子在革兰氏阴性细菌(如Caulobacter)中的作用的努力，最终可能有助于科学家开发针对具有OPGs的致病细菌(包括布鲁氏菌、假单胞菌、沙门氏菌和大肠杆菌)的新药。

Goley指出，如果发现制造或修饰这些OPG糖分子的蛋白质对细菌生存至关重要，那么它们本身就可能成为抗生素的良好药物靶点。或者，在不需要OPG的生物体中，针对OPG途径的某些部分的药物可能会使细胞对现有的抗生素敏感。

Goley是该团队在mBio上发表的论文的资深作者，题为“OpgH是Caulobacter形态的基本调节剂”。在他们的报告中，作者总结道:“因为细胞包膜完整性对细菌的生存至关重要，了解OpgH活性如何促进形态发生和包膜完整性的维持可以帮助开发抗生素疗法。”

作者写道，细菌栖息的环境范围令人印象深刻，它们可以适应环境条件的突然变化。“在不同的生态位中，有一个参数会有很大的不同，那就是渗透压，从稀释的淡水栖息地到高度浓缩的土壤。”新月形Caulobacter crescentus是在面对不断变化的环境时建立的生理适应模型，并且具有独特的细胞结构和过程来帮助其生存。

“值得注意的是，细菌的细胞包膜是细胞与其环境之间的物理屏障，”研究小组说。细胞包膜包括内外细胞膜和它们之间的周质。在周质内是肽聚糖(PG)细胞壁，它赋予细胞结构和形状。作者进一步解释说:“除了细胞壁外，一些细菌还在周质中产生葡萄糖聚合物，称为渗透调节周质葡聚糖(OPGs，也称为膜源寡糖)。”

在他们报告的研究中，研究人员使用了一种称为诱导启动子的分子工具，这使他们能够降低茎状杆菌中OpgH蛋白的存在，并观察其对细胞形状的影响。

研究小组还发现，OpgH的缺失会影响一种被称为CenKR的信号通路，这种信号通路可以识别和修复细胞包膜中的缺陷。然后，他们对茎状杆菌细胞进行操作，使其产生过多的CenR蛋白，从而有效地过度激活负责调节细胞包膜形状的CenKR通路。

在上调或下调OpgH或CenR蛋白后，科学家们将细菌细胞放在一个阻止它们移动的凝胶垫上。他们用专门的显微镜观察细胞的形状和活动。他们指出:“OpgH的缺失通过对形态发生复合物的定位和活性的错误调节，导致不对称的细胞膨胀和溶解。包膜稳态中涉及的CenKR双组分系统的过度激活导致了OpgH的消耗，这表明OpgH的消耗激活了CenKR。”

Goley解释说:“我们发现，当我们减少OpgH蛋白，停止糖OPG分子的产生，或过度激活维持细胞包膜的CenKR信号通路时，它们就会变得畸形。然后我们还研究了一些帮助细胞生长和保持细胞形状的分子的位置。分子参与者不在正确的位置，这表明OpgH和CenR对于维持细胞的形状是不可或缺的。最终，我们确定凸起的表型是由于CenR消耗了OpgH。”

一旦细胞包膜失去形状，所有的细菌最终都会破裂并死亡。Goley说:“我们建立了一个模型来研究消耗OPGs或激活信号通路如何影响细胞形状和生长。”

虽然表征糖分子在茎状杆菌细胞结构中的作用是重要的第一步，但Goley警告说，“要全面了解它们如何在革兰氏阴性细菌中发挥作用，还需要一些时间。”

在茎状杆菌中，糖分子类似于封闭的环，而在大肠杆菌中，它们看起来像树，树枝从链状结构中伸出来。Goley承认，了解与分子相关的形状和所有装饰可以帮助研究人员表征细胞包膜。

“在下一阶段的研究中，我们希望调查所有制造、修饰和分解这些分子的酶，这样我们就能全面了解它们的新陈代谢以及它们如何维持细胞包膜，”Goley指出，“一旦我们揭示了这些酶的功能，那就太好了，因为这些都是药物可以靶向的。”

作者总结道:“我们已经确定，OpgH以及可能的OPG的产生，在茎状杆菌的形态发生中起着至关重要的作用，并与CenKR协同作用，维持细胞包膜的完整性……我们的发现已经建立了基本的OpgH同源物的稳态作用，并揭示了OPG途径细胞形态与CenKR之间的新联系，这为未来的研究提供了成熟的条件。”