Nature | 抑制脂多糖转运的新型抗生素作用机制
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革兰氏阴性菌的外膜是一个不对称的双层结构，其内层由磷脂组成，外层则含有脂多糖（LPS）。LPS的生物合成在内膜上完成，LPS必须离开内膜，穿过周质空间，然后通过外膜运输到细胞表面（图1a）1。这个运输过程需要内膜上的LptB2FGC复合物，通过水解ATP将LPS传递给由LptF、LptC、可溶性周质空间蛋白LptA以及整合膜蛋白LptD的周质空间部分所形成的蛋白质桥（图1a）2。最近有一系列大环肽类抗生素被认为可以抑制A. baumannii菌株的脂多糖转运（图1b，1～3）3，也有生化实验证明这些大环肽可以结合到LptFG上，但是仍然缺少结构信息来确定这些抗生素抑制LPS运输的分子机制。
图1 大环肽结合内膜复合物抑制LPS转运
2024年1月3日，来自美国哈佛大学Daniel Kahne课题组和Andrew C. Kruse课题组在Nature杂志发布了题为“A new antibiotic traps lipopolysaccharide in its intermembrane transporter”的研究论文。通过使用冷冻电镜解析了LptB2FGC复合物结合大环肽的结构，解释了抗生素抑制LPS转运的机制，为新一代抗生素的设计和应用提供了蓝图。
由于在A. baumannii菌株中LptB2FGC复合物表达不佳且倾向于聚集，因此作者改用表达A. baylyi 菌株的LptB2FGC复合物来进行研究，两个物种的LptB2FGC复合物一致性为85%，且都可以结合大环肽1～3。首先作者解析了大肠杆菌异源表达的LptB2FGC复合物在LPS存在下结合大环肽1的结构，分辨率3.0埃，可以很清楚的看见LPS（黄色）和大环肽1（紫色）的结构（图1c）。由于LptB2FGC复合物是异源表达，大肠杆菌的LPS可能和A. baylyi 菌株存在差异，作者也同时解析了A. baylyi 菌株表达的LptB2FGC复合物的结构，发现两个结构中的LPS和大环肽1只存在微小差别，抗生素的作用界面几乎一致，而且蛋白质构象没有改变（图1d）。
大环肽的结合口袋由LptF（Glu58, Glu249, Trp271, Val314, Ile317, Arg320和Thr321）和 LptG （Leu36）组成（图2a）。这些关键氨基酸的突变会造成菌株的耐药性出现不同程度的提高（图2b）。同时，作者还在体外构建LptB2FGC复合物释放LPS的实验，大环肽1可以抑制LptB2FGC复合物野生型释放LPS（图2c），却无法抑制LptB2FGC复合物突变体（E249K或I317N）释放LPS（图2d）。
LptB2FGC复合物-LPS-大环肽1的结构说明大环肽1可以将LPS结合的Lpt转运体稳定在中间状态。为了验证抗生素是否引发构象变化，作者还额外解析了LptB2FGC复合物-LPS的结构（不结合大环肽1）（图2e）。通过比较两个结构，可以发现无论结合大环肽1与否，转运体复合物的整体构象以及LPS的结合方式都几乎一致，说明大环肽1结合在了已结合LPS的转运体复合物，这一构象可以为抗生素研发提供帮助。
图2 大环肽1的结合口袋
LptB2FGC复合物-LPS-大环肽1的结构（绿色LptF与青色LptG）和LptB2FGC复合物-LPS的结构（粉色）进行比较（图3a），可以发现LptB2FGC复合物-LPS的结构中的LptC的β-jellyroll螺旋结构域出现在了腔内，与结合大环肽1结构中的大环肽1有空间冲突。说明大环肽1与LptC竞争性结合在腔内。
其他研究表明大环肽1、2、3细胞实验的杀菌效果相似，但是大环肽3在体外的LptB2FGC复合物释放LPS的实验中有效性却不如大环肽1和2（图3e）。作者额外解析了LptB2FGC复合物-LPS分别与大环肽2和3结合的结构，通过比较发现大环肽1（图3b）和大环肽2（图3c）与LptC的位置（粉色虚线部分）存在较大空间冲突，而大环肽3（图3d）与LptC的位置空间（粉色虚线部分）冲突较小。通过LptB2FGC复合物释放LPS的实验验证，可以发现当LptC的β-jellyroll螺旋截短后，大环肽3达到与大环肽1和2相同的抑制LPS释放能力（图3f）。因为大环肽3杀菌效果与1和2类似，所以作者推断大环肽1、2、3会在LptC的β-jellyroll螺旋移出腔内后再与Lpt转运体进行结合。
图3 大环肽抗生素需要结合在已结合LPS的转运体中间态（LptC从腔内移出）
综上，作者解析了LptB2FGC复合物结合大环肽类抗生素的结构，解释了这类抗生素抑制LPS转运的机制，为新一代抗生素的设计和应用提供了蓝图。
供稿 | 朱盎岐
审稿 | 李浩田
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲 雨萱
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原文链接
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06799-7
参考文献
参考文献
1. Zhou, Z., White, K. A., Polissi, A., Georgopoulos, C. & Raetz, C. R. H. Function of Escherichia coli MsbA, an essential ABC family transporter, in lipid A and phospholipid biosynthesis. J. Biol. Chem. 273, 12466–12475 (1998).
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3. Zampaloni, C. et al. A novel antibiotic class targeting the lipopolysaccharide transporter. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-023-06873-0 (2024).
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