科学家发现细菌细胞壁的新致命弱点

一种调节蛋白如何充当细菌细胞壁重塑的多功能工具？细菌细胞要生长和分裂，其细胞壁就需要不断重塑。这一过程需要溶菌酶和肽聚糖生产之间保持谨慎的平衡。以马丁-坦比希勒（Martin Thanbichler）为首的研究小组发现，一个中央调节器可以控制完全不同类别的自溶酶。由于许多抗生素都会攻击细菌的细胞壁，这一发现可能为细菌感染的新治疗方法提供了可能。

新月柄桿菌是一种新月形二形细菌，是研究细菌细胞周期调控、细胞分化和形态发生的主要模式生物之一。使用 DNA-PAINT 技术观察细胞，染色体 DNA 被染成蓝色，细胞膜被染成红色。图片来源：马克斯-普朗克陆地微生物研究所/埃尔南德斯-塔马约

在进化过程中，细胞发展出了多种策略来加强其包膜以抵御内部渗透压，从而使它们能够在各种不同的环境中生长。大多数细菌种类都会在细胞质膜周围合成半刚性细胞壁，其主要成分肽聚糖会形成一个致密的网状结构，将细胞包裹起来。

(相关资料图)

细胞壁除了起保护作用外，还能形成特定的细胞形状，如球形、棒状或螺旋形，从而有利于运动、表面定植和致病。

细胞壁的存在也带来了挑战：细胞必须不断重塑细胞壁才能生长和分裂。为此，细胞必须小心翼翼地撕裂细胞壁，使其扩张和变化，同时迅速用新材料修补缝隙，防止细胞壁坍塌。这种细胞壁重塑过程包括裂解酶（又称自溶酶）对键的裂解，以及随后肽聚糖合成酶对新细胞壁材料的插入。这两组相互对抗的蛋白质的活动必须密切协调，以防止肽聚糖层出现薄弱点，导致细胞溶解和死亡。

马克斯-普朗克陆地微生物学研究所研究员、马尔堡大学微生物学教授马丁-坦比希勒领导的研究小组开始研究自溶机制的组成和功能。他们的研究重点是淡水环境中的新月柄桿菌，这种细菌被广泛用作研究细菌基本细胞过程的模式生物。

Thanbichler 认为，研究自溶蛋白的功能是一项具有挑战性的任务。"虽然我们对合成机器有很多了解，但自溶蛋白被证明是一个难以攻克的难题"。Thanbichler 团队的博士后研究员 Maria Billini 补充说："细菌通常含有多种类型的自溶蛋白，它们来自不同的酶家族，具有不同的靶标。这意味着这些蛋白质具有高度冗余性，删除单个自溶蛋白基因往往对细胞形态和生长影响甚微。"

通过共免共沉淀筛选和体外蛋白质-蛋白质相互作用试验对潜在的自溶蛋白调节因子进行分析后发现，一种名为DipM的因子在细菌细胞壁重塑过程中发挥着关键作用。这种关键的调节因子是一种可溶性的周质蛋白，竟然与几类自溶蛋白以及一种细胞分裂因子相互作用，显示出这种调节因子以前未知的杂交性。

DipM 能够刺激两种活性和折叠方式完全不同的肽聚糖分解酶的活性，这使它成为第一个被发现的能够控制两类自溶酶的调节因子。值得注意的是，研究结果还表明，DipM使用单一界面与其各种靶标相互作用。

这项研究的第一作者、博士生阿德里安-伊斯基耶多-马丁内斯（Adrian Izquierdo Martinez）说："破坏DipM会导致细胞壁重塑和分裂过程的各个环节失去调控，最终导致细胞死亡。"因此，它作为自溶蛋白活性协调者的适当功能对于新月柄桿菌正常的细胞形状维持和细胞分裂至关重要。"

对DipM的全面表征揭示了一个新颖的相互作用网络，包括一个自我强化环，它将溶解性转糖基酶和可能的其他自溶蛋白与新月柄桿菌细胞分裂装置的核心连接起来，也很可能与其他细菌的细胞分裂装置连接起来。因此，DipM 协调着一个复杂的自溶蛋白网络，其拓扑结构与之前研究的自溶蛋白系统大不相同。

马丁-坦比希勒（Martin Thanbichler）指出："这种多酶调节器的功能失常会同时影响多个与细胞壁相关的过程，对它们的研究不仅有助于我们了解细胞壁如何对细胞或环境的变化做出反应。它还有助于开发新的治疗策略，通过同时破坏几种自溶途径来对付细菌"。

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