革兰氏阴性细菌β-桶状结构外膜蛋白折叠与组装的研究进展

摘要:β-桶状结构外膜蛋白是革兰氏阴性细菌细胞外膜层的主要组成部分,在营养吸收、维持外膜完整性、病原菌致病性及多重耐药性等方面发挥着重要的作用,对细菌的存活至关重要。详细了解这些蛋白的合成、折叠与组装到外膜的过程在增加筛选抗病原菌药物靶位、增强有益菌的生物活性等方面具有重要意义。本文对近年来革兰氏阴性细菌β-桶状结构外膜蛋白的合成、转运、折叠及组装到外膜过程的研究结果进行了综合论述,重点叙述了β-桶状结构外膜蛋白组装复合体的研究进展,并在此基础对这一类蛋白的折叠与膜整合过程提出一些新的见解,便于读者快速、全面了解该领域的最新发现和发展。     

革兰氏阴性细菌β-桶状结构外膜蛋白体外折叠的研究进展

除了细胞质膜,革兰氏阴性细菌细胞还有一层组成细胞壁的外膜(Outer Membrane)。膜蛋白是外膜的主要组成成分之一,绝大多数外膜蛋白是由反向平行的β-折叠(β-Strands)通过相邻的氢键结合形成的β-桶状结构蛋白(β-Barrel Proteins)。这些蛋白既可作为通道蛋白、转运蛋白、酶、受体、毒力因子,也可作为结构蛋白发挥稳定外膜的重要作用,它们是否正确折叠并整合到外膜对革兰氏阴性细菌的生存至关重要。大多数外膜蛋白易于重组表达和体外重折叠(in vitro refolding),并且折叠状态可通过多种方法测定,因此β-桶状结构外膜蛋白被当着模式蛋白来研究各类生物和非生物因子对膜蛋白折叠的影响,是膜蛋白研究的一大热点。本文将从β-桶状结构外膜蛋白体外折叠的研究方法和影响折叠的因素角度对近年相关研究进展进行综合述评,最后总结了外膜蛋白体外折叠模式,并结合作者的相关研究结果和观点对该领域的研究前景进行了展望。     

革兰氏阴性细菌外膜主要成分的跨膜转运机制研究进展

革兰氏阴性细菌的外膜由脂多糖、磷脂、外膜蛋白和脂蛋白等成分组成,是细菌抵御外界有害物质的首要物理屏障,与细菌致病性和耐药性密切相关.外膜各组分依赖特定的系统进行跨膜转运,包括脂多糖转运系统(lipopolysaccharide transport, Lpt)、脂质不对称维持系统(maintenance of lipid asymmetry, Mla)、β-桶状装配机器(β-barrel assembly machinery,Bam)以及脂蛋白定位系统(localization of lipoprotein,Lol).这些系统能够保证细菌外膜的完整与稳定,被视为维持细菌生命活动的"命门".因此,本文系统地综述革兰氏阴性细菌外膜主要成分的跨膜转运系统结构与功能,并对其未来研究方向进行展望,为新型靶向抗菌类药物研发提供新的思路.     

嗜水气单胞菌bamA、bamB、bamD突变株的构建及其对外膜蛋白转运的影响

革兰氏阴性细菌的BAM(β-barrel assembly machinery)系统一般由BamA-E等5个亚基组成,以β-桶状外膜蛋白的结构对细菌的转运和正确折叠中起重要作用。目前对于BAM系统的研究大多集中在大肠杆菌、脑膜炎双球菌等细菌中,而在其他细菌中的相关功能还有待进一步研究。以嗜水气单胞菌为研究对象,首先利用同源重组技术,分别构建完成bamA、bamB、bamD的缺失突变株。尔后,利用SDS-PAGE检测技术对相应突变株差异外膜蛋白进行比较,并对这些差异蛋白进行质谱分析,共鉴定到7个差异蛋白,其中5个为外膜蛋白,2个为位于内膜上的蛋白酶。此外,还通过Western blotting对部分突变株外膜蛋白的表达进行验证。研究结果发现,嗜水气单胞菌BAM系统的突变不仅改变了其外膜蛋白表达,还影响了微生物的蛋白转运进程;且在系统中不同亚基对不同外膜蛋白的转运和表达效果也有所不同,结果提示了嗜水气单胞菌BAM转运系统的不同亚基存在特定外膜蛋白转运的特性。     

细菌外膜蛋白参与革兰氏阴性细菌对异丙醇耐受的调节

细菌外膜蛋白与细菌对异丙醇耐受关系密切,但迄今为止尚未见相关研究.本文首先采用基于双向电泳(two dimensional electrophoresis,2-DE)的蛋白质组学技术,研究E.coli K-12 BW25113在有无异丙醇条件下外膜蛋白表达的差异.结果发现,外膜蛋白LamB、FadL和OmpC以及OmpT、Tsx、OmpA和OmpF在异丙醇应激条件下表达量分别上调和下调.然后通过基因敲除、补救和高表达等功能基因组学的方法,探讨这些功能外膜蛋白在异丙醇应激耐受中所起的作用,发现LamB、OmpA和OmpC在E.coli K-12 BW25113对异丙醇耐受过程中起到更重要的作用.最后,对EnvZ/OmpR双组分信号转导系统在对异丙醇耐受中的作用进行了研究,证实EnvZ/OmpR双组分信号转导系统确实参与细菌对异丙醇的耐受.因此,外膜蛋白的改变和EnvZ/OmpR双组分信号转导系统的调节是革兰氏阴性细菌对异丙醇耐受的一种重要机制。     

利用分散量理论辨识外膜蛋白

利用分散量的数学理论,提出了基于最小分散增量的蛋白质序列辨识方法.通过多种特征联合对蛋白质序列进行编码,并建立基于最小分散增量的分类器MID_OMP,应用于革兰氏阴性细菌外膜蛋白序列辨识.在数据集上的Jackknife测试中,MID_OMP辨识外膜蛋白和α螺旋跨膜蛋白的准确率达到95.7%,辨识外膜蛋白和球状蛋白的准确率达到91.0%;在14个细菌基因组内挖掘结果显示,MID_OMP具有较高的敏感性和特异性,预测结果的可信度明显优于另外一种OMPs挖掘工具TMBETA-GENOME.     

钩端螺旋体LA_1100蛋白膜定位研究

目的 研究LA_1100蛋白在钩端螺旋体中的膜定位并分析其在中国流行血清群中的保守性.方法 利用生物信息学软件对LA_1100的二级及三级结构进行分析,以Triton X-114抽提分离钩体细胞的各个组分,Westernblot及FACS方法验证LA_1100在钩端螺旋体中的膜定位.Western Blot和PCR在蛋白水平及核酸水平检测了其在13个中国流行血清群代表株中的保守性.结果 LA_1100的二级结构显示具有α-螺旋及β-折叠结构,进一步分析表明,此蛋白具有跨膜区.LA_1100单体结构具有典型的TolC结构域,三级结构模拟显示三聚体可形成孔状结构.膜定位显示,该蛋白定位于外膜.该基因的保守性分析结果表明,在中国13个流行代表株中有12株均检出该基因或该蛋白的特征性条带.结论 LA_1100为具有TolC结构域可以形成孔状结构的钩端螺旋体外膜蛋白,在中国流行株钩端螺旋体中保守.由于TolC蛋白与病原菌分泌致病因子密切相关,推测此蛋白可能与钩体感染宿主时粘附及致病相关,进一步对此蛋白进行研究有利于揭示钩体的致病机制.     

耐冷希瓦氏菌外膜蛋白的体外折叠研究

目的:旨在建立耐低温革兰氏阴性菌外膜蛋白体外折叠体系,为膜蛋白合成耐低温机制提供理论基础。方法:以包涵体的形式在大肠杆菌中过量表达了来源于耐低温希瓦氏菌的OmpA同源外膜蛋白Omp74的全蛋白质和N端跨膜结构域,纯化包涵体后,用高浓度尿素或强阴离子表面活性剂溶液溶解包涵体,以非离子表面活性剂为折叠介质,建立该外膜蛋白的体外折叠体系,同时以大肠杆菌的OmpA作为对照进行了比较研究。结果:与OmpA相比,Omp74体外折叠受温度影响较小,低浓度的阴离子表面活性剂能促Omp74的折叠,但对OmpA的折叠没有影响;C端结构域抑制Omp74在表面活性剂中的折叠;Omp74在0.5%的月桂酰基麦芽糖苷(DDM)和0.4%的十二烷基肌氨酸钠的混合溶液中能达到接近100%的折叠效率。     

革兰氏阴性细菌蛋白分泌系统研究进展

革兰氏阴性细菌由于具有复杂的双层膜结构,其蛋白质分泌能力较差.这使得革兰氏阴性细菌的典型菌株——大肠杆菌作为最常用的受体细胞在生物制药工程和其他生物技术产品生产中受到一定的限制.因此,革兰氏阴性细菌蛋白分泌系统的研究具有重要意义.本文详细地归纳了革兰氏阴性细菌已知的蛋白分泌系统,分别从分泌系统的分泌过程、分泌蛋白类别、...     

铁硫蛋白的生物合成及相关疾病

铁硫蛋白是以铁硫簇为辅基,相对分子质量较小的一类蛋白质．它广泛存在于各种生物体内,参与电子传递、能量代谢以及基因表达调控等重要生理过程．其生物合成过程复杂,并且从细菌到人类高度保守．在真核细胞内,铁硫蛋白的组装由线粒体铁硫簇组装系统（mitochondrial iron sulfur cluster assembly system,mitochondrial ISC assembly system）和细胞质铁硫簇组装器（cytosolic iron sulfur cluster assembly,CIA）完成．研究发现,铁硫蛋白的合成异常可导致弗里德赖希共济失调(friedreich ataxia,FRDA)、遗传性肌病和铁粒幼细胞性贫血等多种罕见疾病,这些疾病严重影响个体的生活质量和寿命．因此,深入了解铁硫蛋白的结构和生物合成过程,对研究其生物学功能与相关疾病的诊断和治疗有重要意义．     

细菌Ⅴ型分泌系统研究进展

目前已知革兰阴性(G-)细菌的分泌系统至少有5种类型,即Ⅰ～Ⅴ型。其中Ⅴ型分泌系统为G-菌外膜通道转运蛋白系统中最大的一个家族,该系统又称自主转运蛋白系统,它首先通过Sec依赖的分泌通路跨内膜转运,到达外周质间隙后,又通过自身的C端在外膜上形成一个β折叠桶实现跨外膜转运。Ⅴ型分泌系统的分泌装置最为单一,且该系统分泌的蛋白在跨外膜转运过程中似乎不需要能量和辅助因子(蛋白)的参与。随着对运用Ⅴ型分泌系统在G-菌表面展示异源性多肽/蛋白质的深入研究,该系统在生物技术领域已展示出巨大的应用前景。     

纳米丝素蛋白微球的制备及性能研究

以家蚕丝素蛋白为原料,基于丝素自组装理论,通过酶解-干燥-溶解法制备不同尺寸的丝素蛋白微球,制备出的微球具有良好的水不溶性和稳定的分散性。对微球的形貌和结构表征结果表明,用该方法制备的丝素蛋白微球为纳米微球,当酶的添加量为2%且蛋白自组装时间为4 h时,丝素蛋白微球的平均粒径最小,仅为(32±11)nm。红外光谱(FT-IR)和X射线衍射(XRD)结果显示,微球中β-折叠结构的多少决定了微球晶体的大小,β-折叠越多,微球中晶体的体积越大。通过调控丝素蛋白自组装过程,可以制备平均粒径在30～140 nm之间的纳米丝素蛋白微球,且不引入任何有机溶剂和无机溶剂,制备过程绿色环保,制备出的丝素蛋白微球安全无毒。     

嗜肺军团菌II型分泌系统及其底物的研究进展

嗜肺军团菌(Legionella pneumophila,L. pneumophila)是研究病原菌-宿主相互作用的重要模式菌株之一,其独特的分泌系统及底物效应蛋白的结构与功能是病原微生物领域的研究热点。II型分泌系统(type II secretion system,T2SS)对促进细菌在环境和人类宿主中的生存至关重要。嗜肺军团菌Legionella secretion pathway (Lsp)系统是革兰氏阴性病原菌中一个典型的T2SS。本文综述了L. pneumophila的T2SS及其底物效应蛋白的研究进展,重点介绍其结构与功能,为深入了解革兰氏阴性病原菌的T2SS功能和作用机制提供参考。     

福氏志贺氏2a及Y变种保护性抗原的研究

福氏志贺菌Y变种曾经作为一种痢疾疫苗的候选株,其特有的抗原结构在疫苗的有效性抗原研究中起主要作用。以Y变种毒株与无毒株、野生型F2a株与T32株及失去Ⅱ型抗原结构的T32-1株之间分别进行了各种毒力表型的检测、四种外膜侵袭蛋白表达、菌株的外膜蛋白提取物(OMPs)分析、质粒DNA图谱和小鼠主动免疫、被动保护试验的对比分析,了解其抗原特性。结果显示：细菌外膜蛋白抗原和具有完整型特异性抗原结构的福氏菌LPS在动物机体免疫中都发挥着重要的作用。这些抗原物质的共同存在似乎能达到更好的免疫效果。     

Wzz酶对O抗原糖链聚合度的调控

革兰氏阴性细菌表面的O抗原在信号识别、黏附、免疫逃避等过程中发挥着重要作用。根据翻转酶的不同,O抗原的合成可划分为3种机制,其中依赖于Wzy的合成途径(Wzy-dependent)较为普遍。该机制中,wzz基因参与调节O抗原多糖的聚合度。O抗原糖链能够影响致病菌的抗原性并不同程度的刺激免疫系统。基于Wzz的蛋白晶体结构,对wzz基因进行分子改造可以使菌株合成不同大小的O抗原糖链。利用病原菌的O抗原与特定载体蛋白结合而成的糖缀合物疫苗,既具有很好的靶向性,又有较强的免疫原性。因此了解Wzz(调节糖链长短的蛋白)的功能、结构及作用机制对今后糖缀合物疫苗的开发与生产具有重要意义。     

酿酒酵母Sup35朊蛋白结构域的自组装机理及其应用的研究进展

Sup35是酿酒酵母的翻译终止因子,其朊蛋白结构域在体内外都能形成淀粉样蛋白纤维。由于其高度有序的交叉β-片层构象与其他物种中的淀粉样蛋白纤维相似,因此,Sup35的分子自组装机理的研究可以作为蛋白质错误折叠性疾病及朊病毒生物学等相关研究的理想模型。而Sup35朊蛋白结构域自组装成纳米线的能力在生物技术和纳米材料等方面已得到广泛的应用。     

细菌类脂A的结构修饰及其应用前景

类脂A是革兰氏阴性细菌细胞外膜外侧脂多糖的主要组成成分,也是内毒素的活性成分,可以被宿主免疫细胞识别并引发疾病。类脂A的生物合成途径相对保守,但在转运到外膜外侧的过程中它的结构被修饰以适应不同的外界环境。类脂A的结构修饰在细菌体内受到严格调控,与细菌的毒性密切相关,却不影响细菌的生长繁殖。主要介绍近几年类脂A结构修饰方面的研究进展,在此基础上分析了类脂A结构修饰在病原菌防治、疫苗开发、工业发酵和食品安全等相关领域的应用前景。     

鱼类革兰氏阴性病原菌外膜蛋白疫苗的研究进展

鱼类细菌性感染作为十分常见且危害严重的一类水产病害,严重阻碍了我国水产养殖业的发展,同时也造成了巨大经济损失,而免疫防治作为一种安全有效的防治方法,正逐步受到人们的关注.外膜蛋白作为革兰氏阴性菌外膜的主要组成成分,不仅在维持细菌正常生命活动中发挥着重要作用,同时具有较强的免疫原性及交叉免疫原性,可以作为潜在的免疫保护性...     

LuxR家族调控蛋白的结构及功能

LuxR家族调控蛋白是一类在革兰氏阴性细菌群体感应中起重要作用的调控蛋白,它们参与由酰基高丝氨酸内酯介导的多种生物学过程,调控细菌生物发光、质粒转移、生物膜形成以及多种胞外酶、毒力因子和次生代谢产物的合成。LuxR家族蛋白的研究在医学、环境监测、生物防治和微生物发酵等方面具有巨大的应用潜力。该文综述了LuxR家族调控蛋白近期的研究进展、存在问题及应用前景。     

革兰氏阴性菌血红素载体蛋白Hemophore的结构及作用机制

血红素作为宿主体内最丰富的铁离子来源,是致病菌营养竞争的主要目标,尤其对于血红素自身合成途径部分丧失的细菌。革兰氏阴性菌血红素转运系统由血红素载体蛋白(Hemophore)、外膜血红素受体、TonB-ExbB-ExbD复合物、ABC转运体等组成。Hemophore是存在于细菌细胞膜上或分泌到胞外环境中的一种蛋白。它能从宿主血红素结合蛋白中捕获血红素并将其传递给外膜受体。目前,在不同革兰氏阴性菌中已发现3种类型的Hemophore,分别是HasA、HxuA和HmuY型。本文将详细描述这3种Hemophore捕获血红素及与外膜受体相互作用的机制,以期为进一步研究其他细菌血红素载体蛋白的功能及作用机制奠定基础。