“揭榜挂帅”项目动态丨周如鸿教授团队Nature合作发文揭示外膜β-桶蛋白整合机器组装机制

自然界中广泛存在的各种传染性病菌可引发多种重大疾病，极大地威胁着人类的健康，近年来又出现了所谓高耐药性的超级细菌，其主要原因也是新型高性能抗生素的研发速度赶不上病原菌的变异速度。其中，革兰氏阴性菌是临床常见的病原菌，其特殊的外膜成分是产生高致病性和高耐药性的关键。β-桶状蛋白 (Outer membrane proteins, OMPs) 是细菌外膜的主要蛋白成分，新生肽链在胞内合成后被运送到外膜，并由外膜β-桶蛋白整合机器(β-barrel assembly machinery，BAM) 帮助折叠成桶型结构并整合到外膜中。前期研究揭示了 BAM 整合底物的初始阶段，而有关 BAM 如何完成底物β-桶的折叠、关闭及释放的分子机制尚不清楚。

2023年4月26日，国创中心核酸药物“揭榜挂帅”技术攻关项目获得者浙江大学生命科学学院周如鸿教授团队及合作者在Nature上发表题为 “Structural basis of BAM-mediated outer membrane β-barrel protein assembly” 的研究论文，首次捕捉到了BAM与底物 β-桶蛋白 EspP 在外膜折叠整合过程中的多个中间态构象，同时通过体内外功能分析及全原子分子动力学模拟揭示了底物OMP的组装、关闭及释放的全过程，为以此蛋白复合物为靶点的新型抗菌药物研发提供重要科学依据。

首先，团队通过在BAM与 EspP预测的互作区域引入不同位置的半胱氨酸使其在体内自发形成双硫键的策略成功获得 BAM-EspP 复合体蛋白，并通过单颗粒冷冻电镜技术首次解析了双桶打开（open state）、预关闭（ready-to-close state）、半关闭（semi-closed state）和 全关闭（full-closed state）状态的高分辨率三维结构，展示出 BAM在组装底物 OMP的完整动态变化过程 ，阐明了BAM对于 EspP的识别、整合及释放的工作机制（图1）。

图1. BAM-EspP 的四个动态中间态冷冻电镜密度图与结构图

研究发现，BAM 的各结构域构象变化参与了诱发底物整合过程中各阶段的启动。起始阶段，BamA β-桶N端 的β1链向外打开，作为模板帮助EspP肽链折叠整合，形成 β-片层。在预备闭合和半闭合构象中，BamA桶状结构从外开 (outward open) 状态转变为内开 (inward open) 至内关 (inward closed) 状态，通过结合细胞膜张力对相连的底物 β-片层施加内卷动力，使其向内弯卷成桶状结构，并在 β1与β12之间形成氢键关闭β-桶，同时BamA β-桶的N端与底物剥离。底物β桶结构的折叠与释放依赖于OMP β1与β12的氢键，而胞内端的氢键则帮助BamA-β1识别底物，启动折叠。BAM辅助亚基BamB-E与BamA 的周质附件（POTRAs）在胞内形成周质环，顺时针旋转，部分POTRA域的连接环随构象改变与BamA-β桶或辅助亚基产生不同相互作用。基于此，研究人员提出BAM“旋转和闭合”机制。

BamA属于OMP85蛋白超家族，参与多种外膜蛋白的组装，在进化上对b-桶组装功能是保守的。该研究为靶向耐药菌干预提供了启发，并加深了对真核细胞双膜细胞器线粒体和叶绿体中β-桶蛋白的保守折叠与整合机制的理解。

该工作与浙江大学医学院张兴教授团队、四川大学华西医学院董浩浩研究员团队合作完成，浙江大学定量生物中心博士后陈骏为该论文的共同第一作者，浙江大学周如鸿教授为共同通讯作者，浙江大学生命科学学院博士生谢腾参与了本工作。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，国家生物药技术创新中心，国家自主创新示范区上海张江重大项目，浙江大学上海高等研究院繁星基金等资助。

原文链接如下或可点击文末“阅读原文”直接跳转：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05988-8

  团 队 介 绍  

周如鸿，AAAS Fellow, APS Fellow, 浙江大学求是讲席教授，定量生物中心主任。长期从事计算生物学、生物物理、生物化学与人工智能+等交叉学科的研究，在蛋白质设计、纳米药物设计、肿瘤免疫机制等领域取得了一系列国际领先的原创性成果。授权30余项国际专利，在Nature，Science，Cell等国际权威学术刊物发表论文300余篇 (其中 1篇 Cell，2篇 Nature，2篇 Science，19篇 Nature子刊，17篇 PNAS， 14篇 JACS)，文章总引用超过25000余次，H因子81 （Google Scholar）。近年来主要研究兴趣包括开发高性能计算与机器学习等新算法研究肿瘤免疫分子机制，高效抗肿瘤纳米药物，和生物大分子互作机理等。

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▎文章来源：浙江大学生命科学学院