細菌脂多糖轉運組裝膜蛋白復合體結構解析取得重要成果

　　6月18日，Nature 雜志在線發表了中國科學院生物物理研究所黃億華研究員研究組對細菌脂多糖轉運組裝膜蛋白復合體結構解析重要成果。

　　脂多糖又稱內毒素，最早由德裔著名微生物學家Richard F. J. Pfeiffer于十九世紀末發現。一百多年后，美國科學家Bruce Beutler 因發現人體細胞膜上的脂多糖受體——Toll樣受體4而榮獲2011年諾貝爾生理與醫學獎。脂多糖不僅是革蘭氏陰性細菌外膜的主要組成成分, 也是導致炎癥和人體天然免疫反應的主要原因。一百多年來，科學家們對細菌脂多糖在胞質中的合成已經有了很深入的了解，但直到二十一世紀初，美國普林斯頓大學細菌遺傳學家、美國科學院院士Thomas Silhavy 和美國哈佛大學生物化學家Daniel Kahne等發現，細菌脂多糖的跨膜轉運以及在外膜上的組裝由七個脂多糖轉運蛋白（LptA-F）負責完成。而定位于細菌外膜上的LptD-LptE膜蛋白復合體完成脂多糖生成的最后一步，轉運脂多糖跨過細菌外膜并組裝形成細菌外膜的外小葉。LptD-LptE膜蛋白復合體因此可以說是革蘭氏陰性細菌存活的“命門”。

　　黃億華所領導的科研團隊通過幾年努力，在激烈的國際競爭中，成功地解析了致病菌福氏志賀菌來源的分子量約為110,000道爾頓的LptD-LptE膜蛋白復合體2.4埃的高分辨率晶體結構。該晶體結構披露了一種前所未有的由兩個蛋白所形成的“塞子-桶”結構模式，并首次觀察到一個整合膜蛋白（LptD）中含有兩對非連續的、跨結構域的二硫鍵。同時，LptD的跨膜區是迄今所發現的由最多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鏈各自存在一個脯氨酸, 破壞了其規則二級結構的形成，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鏈間創造了一個寬度為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向輸入到脂雙層中。該復合體晶體三維結構也很好地解釋了過去近二十年來世界各國生物化學家和細菌遺傳學家對LptD和LptE兩個蛋白所進行的功能研究。

　　LptD-LptE膜蛋白復合體晶體結構的成功解析不僅是外膜蛋白結構生物學領域的一個重大突破，也是細菌脂多糖生成這一研究領域的一個重大進展。鑒于脂多糖對細菌功能的重要性，LptD-LptE膜蛋白復合體一直是重要的藥物靶點。LptD-LptE膜蛋白復合體的高分辨率晶體結構，為設計新型抗革蘭氏陰性細菌藥物提供了重要的信息。

　　Nature 雜志同期以Structural biology： Lipopolysaccharide rolls out the barrel 為題對該項成果進行了小結報道；Nature Reviews Microbiology 雜志編輯部以Putting it out there 為題對該項工作進行了亮點介紹（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“膜蛋白團隊”成員，特別是張凱研究員的大力協助。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”計劃、國家自然科學基金以及中國科學院戰略性先導科技專項（B類）的資助。

LptD-LptE膜蛋白復合體的晶體結構與脂多糖跨外膜的轉運組裝模型。a. LptD 與 LptE結構域示意圖；b. LptD-LptE 膜蛋白復合體晶體結構；c. LptD桶壁上脂多糖出口的結構特征；d. 脂多糖跨細菌外膜的轉運與組裝機理示意圖。