抗生素可以靶向维持包膜完整性的细菌蛋白

约翰霍普金斯大学医学院的研究人员通过研究淡水湖和土壤中的细菌，发现了一个“令人惊讶”的发现，他们确定了一种蛋白质在维持微生物形状方面发挥的重要作用。由于细菌细胞膜的完整性是其生存的关键，这一发现可能会推动寻找新的、更好的抗生素。

研究小组的研究表明，一种被广泛研究的革兰氏阴性细菌Caulobactercrescentus中一种名为OpgH的蛋白质的缺失，会引发一系列活动，破坏保护微生物的细胞膜，导致细胞死亡。OpgH是一种酶，可以产生含葡萄糖的分子，即渗透调节的周质葡聚糖(OPG)，它是保护性细胞膜间隙中凝胶状物质的重要组成部分。

约翰霍普金斯大学医学院生物化学教授ErinGoley博士说：“在我们的实验中，当我们除去柄杆菌中的蛋白质OpgH时，OPG糖分子就会停止产生，细菌就无法存活。”

人们通常认为Caulobactercrescentus细菌不会引起疾病，但在具有这种壳状细胞膜的革兰氏阴性细菌中大量发现的OPG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以帮助科学家开发针对具有OPG的致病细菌的新药，包括布鲁氏菌、假单胞菌、沙门氏菌和大肠杆菌。

Goley指出，如果发现制造或修饰这些OPG糖分子的蛋白质对于细菌的生存至关重要，那么它们本身就可能是抗生素的良好药物靶标。或者，在OPG并非必不可少的生物体中，针对OPG通路某些部分的药物可能会使细胞对现有抗生素敏感。

Goley是该团队在mBio上发表论文的资深作者，该论文题为“OpgH是Caulobacter形态的重要调节剂”。作者在报告中总结道：“由于细胞膜完整性对于细菌生存至关重要，了解OpgH活性如何促进形态形成和维持膜完整性可能有助于开发抗生素疗法。”

作者写道，细菌栖息的环境范围非常广泛，可以适应环境条件的突然变化。“渗透压是不同生态位中可能存在显著差异的一个参数，从稀薄的淡水栖息地到高度浓缩的土壤。”Caulobactercrescentus是面对不断变化的环境进行生理适应的良好模型，具有独特的细胞结构和过程来帮助其生存。

研究团队表示：“值得注意的是，细菌细胞膜是细胞与环境之间的物理屏障。”细胞膜由内膜和外膜以及它们之间的周质组成。周质内是肽聚糖(PG)细胞壁，它决定了细胞的结构和形状。“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(OPG，也称为膜衍生寡糖)，”作者进一步解释道。

在报告的研究中，研究人员使用了一种名为诱导启动子的分子工具，这使得他们能够降低柄杆菌中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的缺失会影响一种名为CenKR的信号通路，该通路可识别和修复细胞膜中的缺陷。然后，他们操纵Caulobacter细胞产生过多的蛋白质CenR，从而有效地过度激活负责调节细胞膜形状的CenKR通路。

在调高或调低OpgH或CenR蛋白后，科学家将细菌细胞放在凝胶垫上，防止它们移动。他们使用专门的显微镜观察细胞形状和活动。他们指出：“OpgH的缺失通过错误调节形态发生复合物的定位和活性，导致细胞不对称膨胀和裂解。”“参与包膜稳态表型模拟的CenKR双组分系统的过度激活模仿了OpgH的耗竭，这表明OpgH的耗竭会激活CenKR。”

Goley解释道：“我们发现，当我们降低OpgH蛋白并停止糖OPG分子的产生，或过度激活维持细胞包膜的CenKR信号通路时，它们会变形。然后，我们还研究了一些有助于细胞生长和保持细胞形状的分子因子的位置。这些分子因子没有处于正确的位置，这表明OpgH和CenR对维持细胞形状至关重要。”作者补充道：“最终，我们确定膨胀表型是由于cenR耗尽OpgH造成的。”

一旦细胞膜失去形状，所有细菌最终都会破裂并死亡。“我们建立了一个模型，说明消耗OPG或激活信号通路如何影响细胞形状和生长，”Goley说道。

虽然描述糖分子在柄杆菌细胞结构中的作用是重要的第一步，但Goley警告说，“需要一些时间才能全面了解它们在革兰氏阴性细菌中如何发挥作用。

在柄杆菌中，糖分子类似于闭合环，而在大肠杆菌中，它们看起来像树，树枝从链状结构中伸出。Goley承认，了解形状和与分子相关的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，我们希望研究制造、修饰和分解这些分子的所有酶，这样我们就可以全面了解它们的代谢以及它们如何维持细胞包膜，”Goley指出，“一旦我们发现这些酶如何发挥作用，那就太好了，因为这些都是药物可以针对的。”

作者总结道：“我们已经确定OpgH和可能的OPG产生在Caulobacter形态发生中起着至关重要的作用，并与CenKR协同作用以维持细胞膜的完整性……我们的研究结果已经为必需的OpgH同源物建立了基本的稳态作用，并揭示了OPG通路细胞形态与CenKR之间的新联系，这为未来的研究做好了准备。”