科學家揭示了感染細菌的病毒如何抑制 MurJ（一種建構細菌細胞壁所需的蛋白質）。值得注意的是，各種病毒都開發了一種單獨的蛋白質，以相同的方式阻斷 MurJ。它被認為是一個有前途的新抗生素標靶。
研究結果發表在該雜誌 2 月 26 日號。 自然這項研究由加州理工學院比爾克萊蒙斯實驗室的研究生 Yan Cheng Evelyn Li 領導。亞瑟紀念生物化學教授克萊蒙斯和瑪麗安哈尼施是通訊作者。
迫切需要新的抗生素
細菌進化得很快。這種適應性加劇了日益嚴重的公共衛生危機。正如克萊蒙斯解釋的那樣，「進化是強大的。細菌中的抗生素抗藥性也在迅速發展。這意味著我們現在面對的是對我們擁有的所有藥物都有抗藥性的細菌，」他補充道。 “僅在美國，每年就有數萬人死於抗生素抗藥性細菌感染。而且這個數字正在迅速增加。我們需要新的抗生素來對抗這一問題。”
這是因為現有藥物失去了效力。因此，研究人員尋找全新細菌的弱點。
針對細菌細胞壁
長期以來，人們關注的焦點之一是用於製造肽聚醣的細菌。這是構成細胞壁的硬質材料。這個過程稱為肽聚醣生物合成途徑。特別有趣的是，這是因為肽聚醣存在於細菌中，但不存在於人體細胞中。正如克萊蒙斯指出的那樣，“肽聚醣是細菌的一個特徵。這使其成為一個有吸引力的抗生素靶點。”
許多抗生素已經阻斷了這條途徑。青黴素是亞歷山大發現的。 20 世紀中葉的弗萊明擾亂了肽聚醣生產的最後階段。相關藥物，如阿莫西林，也以類似的方式發揮作用。
重要蛋白質 MraY、MurG 和 MurJ
三種必需蛋白質驅動肽聚醣構件穿過細菌內膜的運動：MraY、MurG 和 MurJ。這些蛋白質有助於運輸在內膜屏障外組裝細胞壁所需的成分。如果任何一個失敗，就無法產生肽聚醣，細菌就會死亡。因此，它們是有前途的藥物標靶。
儘管研究人員對這些蛋白質的工作原理了解很多，但克萊蒙斯指出，關鍵的機制細節仍不清楚。
目前還沒有核准的藥物可以直接抑制這三種蛋白。儘管如此，克萊蒙斯表示還是有潛力的。 “我們知道我們可以找到小分子，無論是天然獲得的還是在化學庫中合成的。它們都會抑制這些蛋白質。最近的發現令人興奮地表明，細菌可以找到一種針對這一途徑的方法。”
細菌如何破壞細菌的防禦？
噬菌體或噬菌體是感染細菌的病毒。為了生存，它們必須進入細菌細胞，繁殖，然後逃脫以感染其他細菌。 「突破意味著它們必須穿過肽聚醣層，」克萊蒙斯解釋道。肽聚醣，因為它的作用就像一封連鎖信，所以如果噬菌體無法通過它，它就會被卡住。 」
克萊蒙斯實驗室研究含有單股 DNA 或 RNA 的小噬菌體。這些病毒具有緊湊的基因組並依賴簡單的策略。研究小組報告稱，要在 2023 年消滅細菌。 科學 φX174，一種在加州理工學院擁有悠久研究歷史的噬菌體。
使 MurJ 失去活性的病毒蛋白
這些微小的噬菌體依靠一類特殊的抗生素蛋白來殺死細菌，這種抗生素蛋白被稱為單基因裂解蛋白或 Sgls（發音為“sigil”）。 Li 和 Clemons 專注於針對 MurJ（關鍵細胞壁蛋白之一）的 Sgls。
MurJ 充當翻轉相，它將細胞內的肽聚醣前體轉運穿過細胞膜。使其能夠融入正在生長的細胞壁中。合作者先前的工作表明，兩個不相關的 Sgl，SglM 和 SglPP7，表明兩者都通過阻斷 MurJ 來殺死細菌。
為了了解這是如何發生的，李在貝克曼研究所的生物和低溫透射電子顯微鏡（Cryo-EM）資源中心使用了冷凍電子顯微鏡。 Flippases，如 MurJ，透過讓分子交替接觸膜的每一側來移動分子，而不產生永久的開口。它改變形狀以將分子釋放到外面。
Li 發現 SglM 和 SglPP7 都與 MurJ 中的凹槽結合，防止運輸所需的構象變化。
「很明顯，這兩個 Sgl 以向外的方式與 MurJ 結合，並將其鎖定在這個位置，」Li 說。研究人員對此感到鼓舞，因為 MurJ 的外向形式暴露在周圍環境中。這可能使未來的藥物比面向內的形式更容易獲得。
趨同演化凸顯了有前景的藥物標靶。
克萊蒙斯表示，結果令人驚訝還有另一個原因。 「這些勝肽在進化上彼此沒有關係，但兩者都找到了一種以非常相似的方式靶向MurJ的方法。這是趨同進化的兩個例子。不同的進化路徑得出了相同的解決方案。我們非常驚訝！”
這是因為病毒進化得如此之快。因此，團隊認為更多的噬菌體可能具有類似的 Sgl。噬菌體很容易分離。研究它們的基因組可能會揭示更多的生物學見解和新的抗生素標靶。
在 自然 在這項研究中，研究人員在合作者的幫助下分析了另一種噬菌體的基因組。他們鑑定了一個名為 SglCJ3 的新 Sgl（來自被預測為噬菌體的基因組序列，命名為 Changjian3），並使用冷凍電子顯微鏡對其進行了檢查。 Li確定了與MurJ結合的SglCJ3的結構，發現它也將蛋白質鎖定在相同的外向結構中。
克萊蒙斯說：「這是第三個進化出不同勝肽以相同方式抑制相同目標的基因組。」「這是第一個明確的證據，證明進化已將 MurJ 確定為殺死細菌的重要靶標。這意味著我們應該遵循進化的引領，開發針對 MurJ 的療法。這顯示了基礎生物學幫助我們解決醫學問題的力量。
作者和資助
論文的標題是「透過蛋白噬菌體裂解抑制 Convergent MurJ 翻轉酶」。除了克萊蒙斯和李之外，作者還包括加州理工學院的研究生 Grace F. Baron 和 Francesca S. Antillon、德州農工大學的 Karthik Chamakura 和 Ry Young。這項研究得到了陳祖克柏倡議、美國國立衛生研究院、G. Harold 和 Leila Y. Mathers 基金會以及德州 A&M 噬菌體技術中心的支持，該中心由 Texas A&M AgriLife 共同支持。
