世界卫生组织已将细菌耐药性列为全球十大公共卫生威胁之一。一些细菌已经对所有已知的抗生素产生抗药性。特别的是引起肺炎和败血症的多重耐药革兰氏阴性菌，例如大肠杆菌、铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌。它们的外膜位于细胞壁之外，排除了许多以其他方式靶向它的抗生素。

纽卡斯尔大学的Waldemar Vollmer教授和Federico Corona博士以及牛津大学生物化学系的Colin Kleanthous教授和Gideon Mamou博士研究发现，革兰氏阴性细菌通过使外膜蛋白（OMP）生物发生对肽聚糖成熟反应，来协调两个主要细胞包膜层的组装。因此，肽聚糖的组成是一种潜在的弱点，可以设计针对性的抗生素。牛津大学的Kleanthous教授说，他们从未怀疑革兰氏阴性菌如此依赖细胞壁来协调外膜的生长。破坏这种串扰实际上会“打开”革兰氏阴性菌，使它们容易接受外膜以其他方式排除的抗生素。相关成果近期发表于《Nature》。

图1 | 图像显示了大肠杆菌外膜中必需蛋白BamA簇。这项新研究表明，BamA将新蛋白质引入细胞膜的能力，这是生长所需的，这受到紧贴的细胞壁的严格控制。

BAM活动与细胞周期有关

革兰氏阴性菌的外膜由外膜蛋白（OMPs）、脂蛋白（LPP）和脂多糖（LPS）组成，它们依赖于特定的跨膜转运系统，如β-桶装配机（BAM）等。为了确定OMP在哪里出现以及它们在外膜中的插入是否受到调节，作者首先确定了BamA在活大肠杆菌细胞中的定位。作者专注于两种依赖于TonB的转运蛋白 (TBDT)，即铁载体转运蛋白FepA和维生素B12转运蛋白 BtuB。结果表明，增强的OMP生物发生不限于细胞中间位置，而是定位于活跃细胞分裂位点。这些数据最终证明BamA在外膜中的活性不同，并且其OMP插入活性以细胞周期依赖性方式进行调节。

图2 | OMP生物发生反映了细胞周期。

OMP在PG合成位点组装

肽聚糖由短肽连接的聚糖链组成，并在外膜下方形成称为球囊的薄网状层。OMP的生物发生模式让研究人员想起之前在大肠杆菌中看到的PG模式。因此，他们通过共标记实验研究了PG和OMP生物发生之间的相关性。得出的结论是，OMP和PG的生物发生模式在指数生长的细胞中紧密地相互反映，这表明细菌细胞包膜的这些层之间存在广泛的串扰。

BAM蛋白与PG结合

BamA和BamC与大肠杆菌细胞中的PG相互作用。根据结构研究推断的复合物尺寸，BAM 蛋白可能靠近细胞壁。然而，由于OMP折叠循环的高度动态特性，它们的相对位置可能会有所不同，这可以解释为什么在体外检测到PG与某些BAM成分的结合，但在体内检测不到。

图3 | 新生（富含五肽）和成熟（富含四肽）PG对BAM活性的影响不同。

PG在体内调节OMP模式

由于成熟和新生的PG在体外对BAM的OMP折叠活性有不同的影响，作者假设细胞壁组成是体内大肠杆菌外膜OMP模式的驱动因素。实验数据表明，正是五肽的局部密度支撑了 OMP的生物发生模式，进而支撑了大肠杆菌外膜的稳定性，因为新生的五肽不会像成熟的四肽那样抑制BAM OMP插入活性。这解释了为什么在大肠杆菌的旧极区很少或没有OMP生物发生。

图4 | 细胞壁组成影响外膜的完整性和组织。

结论：数据表明，尽管BamA簇均匀分布在外膜中，但它们催化OMP插入的能力并不均匀，而是受到底层PG成熟状态的调节，这种效应可能是OMP在外膜的原因。由于新生PG无法抑制BAM，因此最大OMP插入活动发生在分裂位点。相比之下，由于成熟PG关闭了OMP折叠和插入活动，因此在细胞两极发生很少或没有OMP插入。在细胞的长轴上观察到中间水平的OMP插入，反映了随着细胞伸长PG的混合成熟状态。

PG成熟对OMP生物发生的调节对细菌有两个重要的生理后果。首先，它将OMP的插入与PG的增长同步。这种同步性可能包括外膜本身的生长，因为OMP LptD（将脂多糖沉积到膜的外叶中）是BamA底物。其次，将OMP插入到隔膜或细胞中间区域使有机体能够简单地通过分裂（二元分区）来翻转其OMP。因此，有机体可以快速改变其OMP组成以响应不断变化的环境，而无需活性蛋白质降解。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04834-7

来源：高分子科学前沿

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