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我院付新苗课题组在细菌膜间质蛋白降解分子机制方面取得重要进展

发布者:赵火平发布时间:2019-11-21浏览次数:15

 

近日,付新苗研究员领导的细菌耐药课题组,在经典生化期刊Biochemical Journal上发表论文,解析了热休克条件下大肠杆菌如何降解膜间质蛋白的分子机制(Zhang et al., DegP degrades a wide range of substrate proteins in Escherichia coli under stress conditions. Biochem J (2019), https://doi.org/10.1042/BCJ20190446)。研究生张爽、程宇、马静为论文的并列第一作者,付新苗为主要通讯作者。该成果和课题组2018年发表的酸胁迫条件下细菌降解膜间质蛋白分子机制的论文(Fu X et al, DegP functions as a critical protease for bacterial acid resistance. FEBS J. 2018, 285: 3525–3538)一起,为后续新型抗菌多肽的设计开发奠定了更为坚实的基础。

 

革兰氏阴性菌有两层膜,其中外膜具有一定的通透性,使得膜间质极为容易受到外界环境的干扰,如高盐、高渗、低pH、热休克等。另外,阴性菌内膜外侧不存在跨膜质子梯度和能量分子(如ATP)。这些因素使得阴性菌膜间质蛋白质量控制成为其正常生长繁殖的关键因素,因此是设计新型抗生素的重要靶标。

 

课题组综合运用遗传学、非天然氨基酸光交联和质谱等技术,鉴定了膜间质双功能蛋白分子伴侣-蛋白酶DegP在酸胁迫条件下的天然底物蛋白;进一步的体外研究显示,DegP在pH<3的酸胁迫条件下(模拟人和哺乳动物强酸性的胃液环境),变性失去酶活,但仍然能结合酸变性的底物蛋白;恢复中性后,酸变性的DegP部分复性,并降解错误折叠的底物蛋白,后者对细菌有毒性。该研究证明了DegP的蛋白酶活性在细菌抗酸中发挥重要作用,并提出了变性失活-复性复活降解底物蛋白的作用机制模型,如下图所示。

 

Fu et al., FEBS J. 2018, 285: 3525–3538

 

进一步,研究团队利用类似的研究手段,鉴定了DegP在热休克条件下的相互作用蛋白,发现这些互作蛋白既包括beta桶外膜蛋白,也包含众多膜间质可溶蛋白,且后者可以被DegP在活细胞中和体外条件下降解。另外,还首次分析了DegP和嵌合beta桶外膜蛋白相互作用的本质,其关键在于后者的可溶膜间质结构域;该结构域不仅自身抵抗DegP的降解,还能保护发挥类似分子伴侣的作用,保护beta桶外膜蛋白免受DegP的降解。最后,鉴定了DegP对结合底物蛋白发挥关键作用的氨基酸残基。据此,作者提出了DegP在活细胞中发挥功能的综合作用机制模型,如下图所示。

 

Zhang et al,Biochem J (2019), https://doi.org/10.1042/BCJ20190446.

这些研究极大地扩展了DegP的天然底物蛋白图谱,也为后续设计DegP的蛋白酶活抑制剂奠定了良好基础。


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