Nature：BAM介导的外膜β-桶状蛋白组装的结构基础

论文ID

题目：Structural basis of BAM-mediated outer membrane β-barrel protein assembly

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2023年4月26日

通讯作者单位：四川大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05988-8

主要内容：

对多种药物有抗药性的革兰氏阴性细菌如果没有从外膜蛋白中构建β-桶状孔结构的细胞表面机制就无法生存。组装过程中不同阶段的快照提供了对这一关键机制的见解，并可能导致新抗生素的开发。

一组被称为革兰氏阴性细菌的微生物中抗生素耐药性的发生已成为对全球健康的一个严重威胁。世界卫生组织已将几种耐抗生素的革兰氏阴性菌列为需要紧急开发新抗菌素的优先病原体。革兰氏阴性菌的高耐药性和毒力主要归因于其特有的外膜，其中含有大量的外膜蛋白（OMPs），在膜的完整性、物质运输、宿主入侵和定植以及抗生素抗性方面具有重要作用。为了正常运作，被称为肽的新生OMP长链必须由横跨外膜的细菌β-桶组装机械（BAM）组装成β-桶孔结构。OMP肽反复折叠，使其多个β链（在多肽链中发现的一种局部折叠结构）形成褶皱的β片，卷起后形成圆柱形的β桶。这一过程对革兰氏阴性菌的生存能力至关重要。BAM的故障在这些物种中是致命的，而且该机制本身很容易从细胞表面获得；因此，BAM是潜在抗生素的一个有吸引力的目标。然而，BAM组装OMPs并将其释放到外膜的方式还没有被完全理解。

作者捕获了BAM和一种叫做EspP的OMP底物的组装复合物，并使用低温电子显微镜（cryo-EM）对其三维结构进行了成像。这项技术使作者能够看到BAM及其底物在组装过程的不同阶段的中间结构。这些结构数据，结合体外和体内试验以及装配动力学的计算模拟，使作者对BAM介导的β-桶装配有了深入了解。

BAM复合物由五个蛋白质组成，命名为BamA-BamE。核心成分BamA包含一个β-桶状结构域和五个多肽转运相关（POTRA）结构域，与其他Bam蛋白结合。冷冻电镜图像显示，BAM通过BamA的β-桶与EspP形成复合物，其本身的构象从开放状态转变为准备关闭的状态，然后转变为半关闭状态，最后转变为完全关闭状态（图1）。BamA-EspP的开放构象反映了一种折叠启动状态。BamA的β-桶在其β1链上横向打开，使EspP肽能够使用该链作为模板折叠成β-片。在准备关闭和半关闭的构象中，BamA桶从开放状态过渡到关闭状态，其β1链从EspP底物上撕下。然后，BamA和底物各自 "拉上 "其桶的第一和最后一条β链，因为它们相互作用的链被逐渐释放，直到两个桶完全关闭并相互释放。BamB-BamE的附属成分和BamA的POTRAs在内膜和外膜之间的周质空间的复合体底部形成一个环，这个环随着桶的关闭顺时针旋转。结构分析显示，周膜环的运动和β桶的运动是耦合的，支持一种 "旋转和关闭 "机制。

作者的工作为BAM介导的OMP组装的后期阶段提供了结构基础，特别是在筒状体关闭和释放期间。早期组装的模型已经在开放的BAM与OMP复合物的结构基础上被提出，但BAM是如何完成组装的还不清楚。BAM完整工作周期的分子细节推进了对膜蛋白组装的理解，并应有利于针对革兰氏阴性细菌的特定抗菌剂的开发。

OMPs也存在于有细胞核的细胞中：在称为线粒体和叶绿体的双膜细胞器中。BamA属于OMP85蛋白超家族，其β-桶状组装功能在从细菌到人类的物种中进化保守，表明这些蛋白有一个进化起源和折叠机制。作者的发现也推进了对有核生物中其他蛋白质组装系统的保守功能的理解。

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

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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