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金沙短信特邀送58:基础医金沙短信特邀送58冯友军课题组《Nat Struct Mol Biol》发文揭示“外源脂肪酸利用的AasS途径”的生化机制

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发布时间:2025-01-14来源:基础医学系作者:12

1928年弗莱明首次发现青霉素以来,抗生素在人类抗感染治疗中扮演了至关重要的角色,挽救了无数生命。而随着抗生素的广泛使用,细菌耐药性问题日益凸显,已成为全球公共卫生的重大挑战。细菌通过不断进化产生了新的耐药机制,这一现象导致抗生素效力减弱,甚至增加剂量也难以奏效。然而,探寻新的抗菌药物靶点以开发新型抗生素道阻且长。脂肪酸作为细菌合成细胞膜和生物素等生存必需组分的关键原料,其合成途径——II型细菌脂肪酸合成途径(FASII)一直被视为潜在的抗菌药物靶点,通过抑制FAS II,可以抑制细菌脂肪酸的合成,进而有效遏制病原微生物的生长和感染。

近年来,随着研究的深入,科学家们发现,许多细菌现已进化出直接利用外源脂肪酸的能力。许多病原微生物可以直接从其所攻击的宿主环境中“窃取”外源脂肪酸,以此作为营养物质来满足其生长和感染的需要。这种“拿来主义”策略帮助细菌绕过FASII从头合成路径,从而导致靶向FAS II的抗生素失效,极大的增加了细菌的生存机会。

现有研究发现AasS蛋白是细菌摄取利用外源脂肪酸的关键“利器”。针对AasS的抑制剂,可有效阻断细菌对外源脂肪酸的利用从而使其难以存活,该思路也为抗击细菌耐药性提供了全新的视角。尽管AasS的遗传学和酶学功能已经被广泛研究了30年,但其催化机制和结构基础仍然不明。

2025110日,金沙短信特邀送58基础医金沙短信特邀送58冯友军课题组与基础医金沙短信特邀送58张兴教授课题组、公共卫生金沙短信特邀送58周春研究员课题组通力合作,在分子与结构生物学领域顶级期刊《Nature Structural & Molecular Biology》发表题为《Structure and catalytic mechanism of exogenous fatty acid recycling by AasS, a versatile acyl-ACP synthetase》的研究长文,首次揭开了AasS蛋白利用外源脂肪酸的结构基础与生化机制的神秘面纱。这是该课题组继2022年揭示‘链球菌摄取宿主脂肪酸的FakAB机制’之后的又一重要进展(Sci Adv, 2022)。

通过9套冷冻电镜单颗粒结构解析,研究团队全面展示了AasS在其复杂催化周期中的“动态舞蹈”。AasS蛋白如同一位细致入微的“工匠”,精确识别和利用不同长度的脂肪酸底物,并最终将它们转化为脂酰-ACP,这一过程的每个细节都环环相扣,层层递进,缺一不可。该项研究拓展了我们对‘细菌如何利用外源脂肪酸’这一关键科学问题的理解,同时也为开发针对AasS的抑制剂提供了扎实的理论基础与潜在技术指导(PLoS Pathog, 2024)。

研究团队发现,来自哈氏弧菌的AasS酶具有较强的底物非特异性,可识别催化不同长度的脂肪酸,最终生成脂酰-ACP,并且捕获到了蛋白聚集状态及显著的构象变化,同时利用生化手段验证了关键催化机制。

研究人员通过完成9套冷冻电镜单颗粒结构解析,与生化实验“双管齐下”,将AasS酶利用外源脂肪酸的全过程“动态化”,并提出了完整的催化模式(图1)。结构与生化实验显示,AasS以环状六聚体形式存在(图2),每个单体分为两个不同的结构域:C端结构域类似于一个开合灵活的“盖子”,而N端结构域则像是一个紧密稳定的“α/β/α/β/α五层三明治”。AasS能够识别不同的外源脂肪酸作为底物,而残基W230则是底物结合通道的“大门”,控制底物的进出。

1: AasS活化利用外源脂肪酸的催化模型

2:AasS蛋白六聚体的装配机制

研究团队进一步解析了AasS蛋白与底物ATP及其非水解类似物AMP-PNP的复合物结构(图3),旨在捕捉AasS识别ATP的瞬间,却意外发现AasS蛋白由六聚体转变为四聚体。为了深入探究这两种不同聚集状态背后的关键因素,针对六聚体和四聚体的互作界面进行了分析评估,完成了一系列的体内外酶活实验。研究数据表明,AasS蛋白是由三个结合紧密的二聚体所形成的三聚体,而无论是二聚体还是三聚体界面,都对于其发挥催化作用至关重要。当ATP、Mg2+AasS结合时,AasS由六聚体迅速转变为四聚体,这很可能是形成酰基-AMP中间体所必需的,反应结束后AasS恢复为六聚体构象,以适应酰基-ACP的产生及释放。

3:AasSATP/AMP-PNP分子的识别与互作

通过对AasS与底物脂肪酸E-pim、C18:1的结构解析,研究团队捕捉到了AasS与脂肪酸的结合通道;而AasS与中间产物M-pim-AMPC18:1-AMP的复合物结构为反应中间体的形成提供了确切证据。研究团队进一步解析了AasS与终产物M-C7-ACP、C18:1-ACP的复合物结构(图4),在此之前,由于酰基载体蛋白(ACP)的极酸性特质,鲜有团队解析出ACPACP-合成酶(即来源于不同物种的AasS酶)结合的复合物结构,而冯友军教授团队通过使用终产物酰基-ACPAasS孵育,成功捕捉到了复合物结构,观察到了“链翻转”机制等关键现象,并通过两套结构中AasS构象的转变,明确了终产物酰基-ACP的生成与释放机制。

4:AasS蛋白与其终产物M-pim-ACP/C18:1-ACP的互作解析

该项工作的亮点在于,不仅循着反应次序解析了一系列冷冻电镜结构,而且对每一步反应中的关键残基都进行了分析,随后利用点突变功能验证、生物素合成鉴定、ITC等技术手段完成了生化表征,夯实了AasS催化利用外源脂肪酸的分子机制。

AasS的底物非特异性和多功能性赋予了AasS在生物制药领域和生物合成方面巨大的应用潜力。在临床应用方面,AasS的存在减轻了细菌对FAS II途径的依赖,它介导的途径可能削弱靶向FAS II的抗生素效果,从而在细菌耐药中扮演了重要角色。因此该项工作为新化合物的合成以及开发新的抗菌策略提供了潜在靶点和重要理论依据。

冯友军课题组长期聚焦“细菌脂代谢与耐药/致病性的机制”研究,发表重要研究论文100余篇,累计引用12000余次(h-index: 54)。该研究工作先后获得了国家自然科学基金委的杰青项目(32125003)、耐药重点专项(32141001)、重点项目(31830001)等基金的联合资助。金沙短信特邀送58基础医金沙短信特邀送58冯友军课题组博士生黄昊旻、张兴教授课题组博士毕业生王晨、冷冻电镜中心常圣海博士和西北工业大学崔涛副教授系该研究论文的共同第一作者。金沙短信特邀送58基础医金沙短信特邀送58冯友军教授、张兴教授和公共卫生金沙短信特邀送58周春研究员担任该研究论文的共同通讯作者。

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