Science:揭秘细菌的"嗅觉机制"有哪些用处?

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导读 最近，莫斯科物理技术学院的科学家与德国於利希研究中心和欧洲同步辐射实验室（ESRF）的同事们合作，提出了一种通用的细菌“嗅觉”的发生机制。这是通过首次成功解析大肠杆菌NarQ蛋白质的结构而实现的，该跨膜蛋白属于广泛存在于各生物门类中的传感因子组氨酸激酶家族，是双组分调节系统的一部分，用于向细菌传递外部环境的信息。

本文转载自 学术经纬

最近，莫斯科物理技术学院（MIPT）的科学家与德国於利希研究中心（Research Centre Jülich）和欧洲同步辐射实验室（ESRF）的同事们合作，提出了一种通用的细菌“嗅觉”的发生机制。这是通过首次成功解析大肠杆菌NarQ蛋白质的结构而实现的，该跨膜蛋白属于广泛存在于各生物门类中的传感因子组氨酸激酶家族，是双组分调节系统的一部分，用于向细菌传递外部环境的信息。

这一结果发表于《科学》杂志上，将有助于我们了解细菌之间如何相互沟通，并在物体表面或人体内形成生物膜的机制。此外，能够影响细菌“嗅觉”机制的药物或可作为抗生素的替代品。它们不会杀死细菌，而只是向细菌发出信号，使其对人体无害。在这种情况下，理论上不存在抗药性产生的基础。同时，由于双组分调节系统是细菌特有的机制，因此该类药物不会对人体产生副作用。

▲细菌的双组分调节系统（图片来源：《PNAS》）

双组分调节系统是细菌感知外部环境最常见的机制。这样的系统由两种蛋白质组成：一是细胞膜上或附近的激酶，负责从细胞外部接收信号并将其传输到细胞内；二是细胞内的响应调节蛋白，能够接受来自前述激酶的信号并触发后续的细胞内反应。然而，对于这一重要系统中的跨膜信号传递机制，人们至今尚不明确。

在该研究中，科学家们成功得到NarQ激酶在两种状态下的晶体结构，包括有活性的配体结合状态和无活性的自由状态。横跨细胞膜的NarQ可感知环境中硝酸盐和亚硝酸盐的存在，并以此被活化而向细胞内发送相应的信号。在上述两种状态下，NarQ都是以二聚体的形式存在。

▲NarQ结构示意图（图片来源：《科学》）

当硝酸盐离子与NarQ结合时，蛋白质结构会发生显著变化，各个螺旋开始在不同方向上移动，使得单体蛋白发生活塞式的运动。这时，结合到NarQ 胞外感受器结构域的离子引起0.5-1埃的位移，通过跨膜结构域的放大，在其胞内HAMP结构域的终端造成约2.5埃的位移。在细胞内，HAMP结构域的位移被转换成NarQ二聚体中两个单体相对于彼此的旋转。最终，胞内信号输出端的螺旋的可发生约7埃的相对位移，从而激发信号传导。

“跨膜信号传递是现代生物学中最根本的问题之一。在这项研究中，我们详细描述了一个信号（在这里即硝酸盐离子的结合）可以通过数百埃距离的传递细胞内。通过更好地了解信号传导的机制，我们有望能够做到操纵这些细胞，特别是削弱或中和其有害的致病性影响，”文章通讯作者、MIPT的Ivan Gushchin博士表示。

参考文献

Mechanism of transmembrane signaling by sensor histidine kinases

文献检索：DOI: 10.1126/science.aah6345

One of the major and essential classes of transmembrane (TM) receptors, present in all domains of life, is sensor histidine kinases (HKs), parts of two-component signaling systems (TCS). The structural mechanisms of transmembrane signaling by these sensors are poorly understood. We present here crystal structures of the periplasmic sensor domain, the TM domain and the cytoplasmic HAMP domain of the Escherichia coli nitrate/nitrite sensor HK NarQ in the ligand-bound and mutated ligand-free states. The structures reveal that the ligand binding induces significant rearrangements and piston-like shifts of TM helices. The HAMP domain protomers undergo lever-like motions and convert the piston-like motions into helical rotations. Our findings provide the structural framework for complete understanding of TM TCS signaling and for development of antimicrobial treatments targeting TCS.

细菌嗅觉蛋白质

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