6月18日，Nature 雜志在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所黃億華研究員研究組對(duì)細(xì)菌脂多糖轉(zhuǎn)運(yùn)組裝膜蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)解析重要成果。
脂多糖又稱內(nèi)毒素，最早由德裔著名微生物學(xué)家Richard F. J. Pfeiffer于十九世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)。一百多年后，美國(guó)科學(xué)家Bruce Beutler 因發(fā)現(xiàn)人體細(xì)胞膜上的脂多糖受體——Toll樣受體4而榮獲2011年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。脂多糖不僅是革蘭氏陰性細(xì)菌外膜的主要組成成分, 也是導(dǎo)致炎癥和人體天然免疫反應(yīng)的主要原因。一百多年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)細(xì)菌脂多糖在胞質(zhì)中的合成已經(jīng)有了很深入的了解，但直到二十一世紀(jì)初，美國(guó)普林斯頓大學(xué)細(xì)菌遺傳學(xué)家、美國(guó)科學(xué)院院士Thomas Silhavy 和美國(guó)哈佛大學(xué)生物化學(xué)家Daniel Kahne等發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌脂多糖的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)以及在外膜上的組裝由七個(gè)脂多糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（LptA-F）負(fù)責(zé)完成。而定位于細(xì)菌外膜上的LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體完成脂多糖生成的最后一步，轉(zhuǎn)運(yùn)脂多糖跨過(guò)細(xì)菌外膜并組裝形成細(xì)菌外膜的外小葉。LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體因此可以說(shuō)是革蘭氏陰性細(xì)菌存活的“命門”。
黃億華所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)幾年努力，在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，成功地解析了致病菌福氏志賀菌來(lái)源的分子量約為110,000道爾頓的LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體2.4埃的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)。該晶體結(jié)構(gòu)披露了一種前所未有的由兩個(gè)蛋白所形成的“塞子-桶”結(jié)構(gòu)模式，并首次觀察到一個(gè)整合膜蛋白（LptD）中含有兩對(duì)非連續(xù)的、跨結(jié)構(gòu)域的二硫鍵。同時(shí)，LptD的跨膜區(qū)是迄今所發(fā)現(xiàn)的由最多β鏈所組成（由26條β鏈圍成），尺寸最大的β桶狀整合膜蛋白。最為重要的是，在這26條β鏈中, 由于第1條和第2條β鏈各自存在一個(gè)脯氨酸, 破壞了其規(guī)則二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成，從而削弱了和相鄰β鏈之間的相互作用。因此，在組成β桶的第3和第26條β鏈間創(chuàng)造了一個(gè)寬度為16埃的脂多糖出口，其大小可以允許脂多糖從桶壁上的出口側(cè)向輸入到脂雙層中。該復(fù)合體晶體三維結(jié)構(gòu)也很好地解釋了過(guò)去近二十年來(lái)世界各國(guó)生物化學(xué)家和細(xì)菌遺傳學(xué)家對(duì)LptD和LptE兩個(gè)蛋白所進(jìn)行的功能研究。
LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)的成功解析不僅是外膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，也是細(xì)菌脂多糖生成這一研究領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)展。鑒于脂多糖對(duì)細(xì)菌功能的重要性，LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體一直是重要的藥物靶點(diǎn)。LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)新型抗革蘭氏陰性細(xì)菌藥物提供了重要的信息。
Nature 雜志同期以Structural biology: Lipopolysaccharide rolls out the barrel 為題對(duì)該項(xiàng)成果進(jìn)行了小結(jié)報(bào)道；Nature Reviews Microbiology 雜志編輯部以Putting it out there 為題對(duì)該項(xiàng)工作進(jìn)行了亮點(diǎn)介紹（Highlight）。
該研究工作由生物物理所黃億華研究組完成，得到了生物物理所“膜蛋白團(tuán)隊(duì)”成員，特別是張凱研究員的大力協(xié)助。黃億華為本論文的通訊作者，黃億華課題組博士生喬帥為論文的第一作者，博士生駱青山以及張凱課題組博士生趙巖參與了部分工作。該研究工作還得到了科技部“973”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）的資助。
LptD-LptE膜蛋白復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)與脂多糖跨外膜的轉(zhuǎn)運(yùn)組裝模型。a. LptD 與 LptE結(jié)構(gòu)域示意圖；b. LptD-LptE 膜蛋白復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)；c. LptD桶壁上脂多糖出口的結(jié)構(gòu)特征；d. 脂多糖跨細(xì)菌外膜的轉(zhuǎn)運(yùn)與組裝機(jī)理示意圖。
