E. coli RodA에 의한 펩티도글리칸 합성의 구조적 기초

Nature Communications 14권, 기사 번호: 5151(2023) 이 기사 인용

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펩티도글리칸(PG)은 세포 분열과 신장 과정에서 합성되는 박테리아 세포벽의 필수 구조 성분입니다. PG는 세포 생존에 중요한 세포외 고분자를 형성하며, 이 합성은 많은 항생제의 표적이 됩니다. PG 어셈블리에는 Lipid II 기질을 사용하여 글리칸 폴리머를 생성하기 위해 글리코실트랜스퍼라제(GT)가 필요하며, 이는 트랜스펩티다제(TP) 반응을 통해 기존 PG에 가교결합됩니다. SEDS(Shape, Elongation, Division and Sporulation) GT 효소와 클래스 B 페니실린 결합 단백질(PBP)은 PG 조립에 필요한 다중 단백질 복합체의 핵심을 형성합니다. 여기서 우리는 단일 입자 저온 전자 현미경을 사용하여 세포 신장 특이적 대장균 RodA-PBP2 복합체의 구조를 결정했습니다. 우리는 이 정보를 생화학적, 유전적, 분광학 및 전산 분석과 결합하여 Lipid II 결합 부위를 식별하고 Lipid II 중합 메커니즘을 제안합니다. 우리의 데이터는 RodA의 지질 II 중합 부위에서 PBP2의 TP 부위를 향한 글리칸 가닥의 이동에 대한 가설을 제안하며, 이는 세포벽 펩티도글리칸 생합성에 필요한 이들 두 가지 중심 효소 활동을 기능적으로 연결합니다.

박테리아의 세포 모양은 짧은 펩타이드에 의해 교차 연결된 중합된 글리칸 사슬로 구성된 세포질막을 둘러싸는 메쉬형 삭쿨루스인 세포외 고분자 펩티도글리칸(PG)에 의해 결정되고 유지됩니다1. PG 합성은 박테리아 성장의 속도를 제한하며, PG 합성이 중단되면 많은 천연 제품 및 반합성 항생제2,3,4,5에서 활용되는 것처럼 세포 용해 또는 성장 중단이 발생합니다. 여기에는 현재까지 임상적으로 가장 성공적인 항생제인 β-락탐이 포함됩니다6,7. PG 전구체인 Lipid II(N-아세틸글루코사민(GlcNAc) 및 N-아세틸무라믹산(MurNAc)-펜타펩타이드의 운데카프레닐(C55) 피로포스페이트(Und-PP) 연결 이당류)을 합성하는 세포질 단백질과 다음을 담당하는 세포외 단백질 PG의 후속 중합은 생화학적 및 구조적으로 개별적으로 특성화되었습니다8,9.

주변세포질에서 PG 생합성은 두 Lipid II 분자(하나는 공여체, 다른 하나는 수용체라고 함)의 이당류를 연결하여 글리칸 가닥 폴리머를 형성하는 Lipid II 특정 글리코실트랜스퍼라제(GT)로 시작됩니다. 기증자 사이트 (그림 1a). 두 개의 초기 Lipid II 분자가 함께 연결된 후, Lipid IV라고 불리는 Und-PP에 부착된 4중 이당류는 또 다른 Lipid II 수용체의 공여자가 되고, 차례로 4당을 Lipid II 이당류에 연결합니다. 지질 VI를 생성합니다. 이 주기는 Und-PP에 부착된 점진적으로 더 긴 다당류 사슬을 생성하는 과정적인 방식으로 반복됩니다(로마 숫자는 다당류 사슬의 단당류 그룹 수를 나타냄). 성장하는 글리칸 폴리머가 충분한 길이에 도달하면 트랜스펩티다제(TP)에 의해 글리칸 가닥의 펜타펩타이드와 기존 PG 삭쿨루스에 있는 펩타이드 줄기 사이의 펩타이드 가교를 통해 기존 PG 삭쿨루스에 부착되어 가교된 PG를 생성합니다. 1a). 대장균에서는 SEDS(Shape, Elongation, Division, and Sporulation) 계열의 GT RodA와 단일 기능성 TP 클래스 B 페니실린 결합 단백질인 PBP2가 이러한 각각의 효소 작업을 중재합니다. RodA는 10개의 막횡단(TM) 나선으로 구성된 필수 막 단백질인 반면, PBP2는 단일 TM 나선과 TP 활성 부위를 포함하는 고전적인 클래스 B PBP 접힘이 있는 세포외 도메인을 가지고 있습니다. 이들은 함께 박테리아 막대 모양의 결정을 담당하는 복합체인 elongasome14의 핵심을 구성합니다. 특히 Thermus thermophilus RodA-PBP2 복합체의 결정 구조에서 파생된 이 분자 기계에 대한 이해가 최근 발전했음에도 불구하고 근본적인 기계론적 질문은 아직 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다. 여기에는 i) 지질 II 결합, ii) 글리칸 가닥의 GT 중합, iii) 글리칸 중합체의 TP 활성 부위로의 후속 전좌에 필요한 분자 결정자 및 구조적 상태의 특성화가 포함됩니다.

95% humidity. Images were recorded using a Titan Krios electron microscope (FEI), at the Columbia University Cryo-Electron Microscopy Center, equipped with an energy filter and a K3 direct electron detection filter camera (Gatan K3-BioQuantum) using a 0.83 Å pixel size. An energy filter slit width of 20 eV was used during the collection and was aligned automatically every hour using Leginon43. Data collection was performed using a dose of ~58.5 e-/Å2 across 50 frames (50 ms per frame) at a dose rate of approximate 16.1 e–/pix/s, using a set defocus range of -1 μm to -2.5 μm. A 100 µm objective aperture was used. 11,120 micrographs were recorded over a two-day collection./p>

1.1 nm), and van der Waals (VdW) interactions also used a cut-off of 1.1 nm (both with the Verlet cut-off scheme). The P-LINCS algorithm expanded up to 4th order was used for the treatment of holonomic constraints77. Each system was equilibrated for 10 ns, after which 10 μs production runs were prepared from the coordinates and velocities of the final frames of the equilibration trajectories. For RodA and RodA-PBP2, 50 repeats of the production simulations were conducted./p>

3.0.CO;2-H" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291096-987X%28199709%2918%3A12%3C1463%3A%3AAID-JCC4%3E3.0.CO%3B2-H" aria-label="Article reference 77" data-doi="10.1002/(SICI)1096-987X(199709)18:123.0.CO;2-H"Article CAS Google Scholar /p>