生物通报道  来自中科院生物物理研究所的研究人员在新研究中揭示出了，细胞壁成分脂多糖被传递并插入到细菌外膜中的分子结构机制，相关论文“Structural basis for lipopolysaccharide insertion in the bacterial outer membrane”发表在6月18日的《自然》（Nature）杂志上。

论文的通讯作者是中科院生物物理研究所的黄亿华（Yihua Huang）研究员，其主要从事膜蛋白结构生物学研究，研究方向包括膜蛋白的生成与蛋白质跨膜转运机理；及生物膜的生成。

在革兰氏阴性菌的表层，有由肽葡聚糖形成的细胞壁，在壁的外面，又有由蛋白质、磷脂质、脂多糖形成的膜层，与里面的细胞质膜相对应，特称此层为细菌外膜。作为革兰氏阴性菌的特有结构，外膜像一个双轨道结构，为两个电子致密层夹一个透明层，状似细胞膜，但在生化上又不同于细胞膜。

脂多糖(LPS)是革兰氏阴性菌细胞壁外膜的独有组成成分，结构较复杂，由类脂A、核心多糖和O-特异侧链3部分组成。类脂A是革兰氏阴性菌致病性内毒素的物质基础。LPS的结构变化决定了革兰氏阴性菌细胞表面抗原决定簇的多样性。与磷壁酸相似，LPS具有吸附Mg,Ca等阳离子提高这些离子在细胞表面浓度的作用。

此外，细菌外膜的LPS层赋予了革兰氏阴性菌强有力的屏障对抗抗生素一类的有毒化合物进入细胞，使得细菌能够在恶劣的环境中生存。LPS还是先天免疫反应的强有力的激活剂，作为保守性的病原体相关分子模式（PAMP）为先天免疫受体所识别。鉴于这些重要的功能，LPS无疑多于大多数革兰氏阴性菌至关重要，能够干扰它的生物信号通路将为开发出对抗致病菌的新型抗生素提供极好的机会（延伸阅读：Nature揪出超级耐药菌的软肋）。

在细菌中，是借助于7个必不可少的脂多糖转运（Lpt）蛋白来将LPS从内膜通过胞质送至表面。在7个Lpt蛋白中，LptD-LptE复合物负责将LPS插入到外膜的外部小叶（external leaflet）中。然而，目前对于LPS插入外膜及装配的精确机制仍不是很清楚。

在这篇文章中，研究人员报告称获得了来自福氏志贺氏菌（Shigella flexneri），分辨率为2.4埃的110KD LptD–LptE膜蛋白复合物的晶体结构。这一结构揭示出了一个前所未有的两蛋白“插头与桶”（ plug-and-barrel）的结构，LptE嵌入到了LptD形成的由26股β折叠围成的β桶状(β-barrel)结构中。重要的是，两个脯氨酸残基使得头两个β折叠的二级结构扭曲，减弱了它们与邻近β折叠的相互作用，在桶壁上生成了一个潜在的入口，使得LPS能够侧向扩散到外膜。

了解到细菌将防御屏障的重要元件脂多糖运送到外膜上的机制，为开发出靶向细菌外膜的新抗生素策略开启了大门。

（生物通：何嫱）

作者简介：

黄亿华
简历：
1990-1995　 北京大学生命科学学院，获理学学士学位
1995-1998　 北京大学生命科学学院，获理学硕士学位
1998-2004　 美国康奈尔大学医学院生物化学系,获博士学位
2004-2010　 美国德州大学西南医学中心/霍华德休斯医学研究所博士后、研究助理和讲师
2011-今　　 中国科学院生物物理研究所，研究员

研究组工作摘要：
本研究组主要从事膜蛋白结构生物学研究。具体研究内容包括两个方面：膜蛋白的生成与蛋白质的跨膜转运机理；生物膜的生成

生物通推荐原文摘要：

Structural basis for lipopolysaccharide insertion in the bacterial outer membrane

One of the fundamental properties of biological membranes is the asymmetric distribution of membrane lipids. In Gram-negative bacteria, the outer leaflet of the outer membrane is composed predominantly of lipopolysaccharides (LPS)1. The export of LPS requires seven essential lipopolysaccharide transport (Lpt) proteins to move LPS from the inner membrane, through the periplasm to the surface2. Of the seven Lpt proteins, the LptD–LptE complex is responsible for inserting LPS into the external leaflet of the outer membrane3, 4. Here we report the crystal structure of the ~110-kilodalton membrane protein complex LptD–LptE from Shigella flexneri at 2.4 Å resolution. The structure reveals an unprecedented two-protein plug-and-barrel architecture with LptE embedded into a 26-stranded β-barrel formed by LptD. Importantly, the secondary structures of the first two β-strands are distorted by two proline residues, weakening their interactions with neighbouring β-strands and creating a potential portal on the barrel wall that could allow lateral diffusion of LPS into the outer membrane. The crystal structure of the LptD–LptE complex opens the door to new antibiotic strategies targeting the bacterial outer membrane.

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