Nature | 抑制脂多糖转运的新型抗生素作用机制

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革兰氏阴性菌的外膜是一个不对称的双层结构，其内层由磷脂组成，外层则含有脂多糖（LPS）。LPS的生物合成在内膜上完成，LPS必须离开内膜，穿过周质空间，然后通过外膜运输到细胞表面（图1a）¹。这个运输过程需要内膜上的LptB₂FGC复合物，通过水解ATP将LPS传递给由LptF、LptC、可溶性周质空间蛋白LptA以及整合膜蛋白LptD的周质空间部分所形成的蛋白质桥（图1a）²。最近有一系列大环肽类抗生素被认为可以抑制A. baumannii菌株的脂多糖转运（图1b，1～3）³，也有生化实验证明这些大环肽可以结合到LptFG上，但是仍然缺少结构信息来确定这些抗生素抑制LPS运输的分子机制。

图1 大环肽结合内膜复合物抑制LPS转运

2024年1月3日，来自美国哈佛大学Daniel Kahne课题组和Andrew C. Kruse课题组在Nature杂志发布了题为“A new antibiotic traps lipopolysaccharide in its intermembrane transporter”的研究论文。通过使用冷冻电镜解析了LptB₂FGC复合物结合大环肽的结构，解释了抗生素抑制LPS转运的机制，为新一代抗生素的设计和应用提供了蓝图。

由于在A. baumannii菌株中LptB₂FGC复合物表达不佳且倾向于聚集，因此作者改用表达A. baylyi 菌株的LptB₂FGC复合物来进行研究，两个物种的LptB₂FGC复合物一致性为85%，且都可以结合大环肽1～3。首先作者解析了大肠杆菌异源表达的LptB₂FGC复合物在LPS存在下结合大环肽1的结构，分辨率3.0埃，可以很清楚的看见LPS（黄色）和大环肽1（紫色）的结构（图1c）。由于LptB₂FGC复合物是异源表达，大肠杆菌的LPS可能和A. baylyi 菌株存在差异，作者也同时解析了A. baylyi 菌株表达的LptB₂FGC复合物的结构，发现两个结构中的LPS和大环肽1只存在微小差别，抗生素的作用界面几乎一致，而且蛋白质构象没有改变（图1d）。

大环肽的结合口袋由LptF（Glu58, Glu249, Trp271, Val314, Ile317, Arg320和Thr321）和 LptG （Leu36）组成（图2a）。这些关键氨基酸的突变会造成菌株的耐药性出现不同程度的提高（图2b）。同时，作者还在体外构建LptB₂FGC复合物释放LPS的实验，大环肽1可以抑制LptB₂FGC复合物野生型释放LPS（图2c），却无法抑制LptB₂FGC复合物突变体（E249K或I317N）释放LPS（图2d）。

LptB₂FGC复合物-LPS-大环肽1的结构说明大环肽1可以将LPS结合的Lpt转运体稳定在中间状态。为了验证抗生素是否引发构象变化，作者还额外解析了LptB₂FGC复合物-LPS的结构（不结合大环肽1）（图2e）。通过比较两个结构，可以发现无论结合大环肽1与否，转运体复合物的整体构象以及LPS的结合方式都几乎一致，说明大环肽1结合在了已结合LPS的转运体复合物，这一构象可以为抗生素研发提供帮助。

图2 大环肽1的结合口袋

LptB₂FGC复合物-LPS-大环肽1的结构（绿色LptF与青色LptG）和LptB₂FGC复合物-LPS的结构（粉色）进行比较（图3a），可以发现LptB₂FGC复合物-LPS的结构中的LptC的β-jellyroll螺旋结构域出现在了腔内，与结合大环肽1结构中的大环肽1有空间冲突。说明大环肽1与LptC竞争性结合在腔内。

其他研究表明大环肽1、2、3细胞实验的杀菌效果相似，但是大环肽3在体外的LptB₂FGC复合物释放LPS的实验中有效性却不如大环肽1和2（图3e）。作者额外解析了LptB₂FGC复合物-LPS分别与大环肽2和3结合的结构，通过比较发现大环肽1（图3b）和大环肽2（图3c）与LptC的位置（粉色虚线部分）存在较大空间冲突，而大环肽3（图3d）与LptC的位置空间（粉色虚线部分）冲突较小。通过LptB₂FGC复合物释放LPS的实验验证，可以发现当LptC的β-jellyroll螺旋截短后，大环肽3达到与大环肽1和2相同的抑制LPS释放能力（图3f）。因为大环肽3杀菌效果与1和2类似，所以作者推断大环肽1、2、3会在LptC的β-jellyroll螺旋移出腔内后再与Lpt转运体进行结合。

图3 大环肽抗生素需要结合在已结合LPS的转运体中间态（LptC从腔内移出）

综上，作者解析了LptB₂FGC复合物结合大环肽类抗生素的结构，解释了这类抗生素抑制LPS转运的机制，为新一代抗生素的设计和应用提供了蓝图。

供稿 | 朱盎岐

审稿 | 李浩田

责编 | 囡囡

设计 / 排版 | 可洲 雨萱

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参考文献

参考文献

1. Zhou, Z., White, K. A., Polissi, A., Georgopoulos, C. & Raetz, C. R. H. Function of Escherichia coli MsbA, an essential ABC family transporter, in lipid A and phospholipid biosynthesis. J. Biol. Chem. 273, 12466–12475 (1998).

2. Owens, T. W. et al. Structural basis of unidirectional export of lipopolysaccharide to the cell surface. Nature 567, 550–553 (2019).

3. Zampaloni, C. et al. A novel antibiotic class targeting the lipopolysaccharide transporter. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-023-06873-0 (2024).

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