Структурные основы синтеза пептидогликана E. coli RodA

Nature Communications, том 14, номер статьи: 5151 (2023) Цитировать эту статью

Доступы 1921 года

35 Альтметрика

Подробности о метриках

Пептидогликан (ПГ) является важным структурным компонентом бактериальной клеточной стенки, который синтезируется во время клеточного деления и удлинения. ПГ образует внеклеточный полимер, имеющий решающее значение для жизнеспособности клеток, синтез которого является целью многих антибиотиков. Для сборки PG требуется гликозилтрансфераза (GT) для создания гликанового полимера с использованием субстрата липида II, который затем сшивается с существующим PG посредством транспептидазной (TP) реакции. Фермент GT формы, удлинения, деления и споруляции (SEDS) и пенициллин-связывающий белок класса B (PBP) образуют ядро ​​мультибелкового комплекса, необходимого для сборки PG. Здесь мы использовали одночастичную криоэлектронную микроскопию для определения структуры комплекса E. coli RodA-PBP2, специфичного для удлинения клеток. Мы объединяем эту информацию с биохимическим, генетическим, спектроскопическим и компьютерным анализом, чтобы идентифицировать сайты связывания липида II и предложить механизм полимеризации липида II. Наши данные позволяют предположить гипотезу о движении гликановой цепи от сайта полимеризации липида II RodA к сайту TP PBP2, функционально связывая эти две центральные ферментативные активности, необходимые для биосинтеза пептидогликана клеточной стенки.

Форма клеток у бактерий определяется и поддерживается внеклеточным полимером пептидогликаном (ПГ), сетчатым мешочком, окружающим цитоплазматическую мембрану, состоящим из полимеризованных гликановых цепей, сшитых короткими пептидами1. Синтез PG ограничивает скорость роста бактерий, а его нарушение приводит к лизису клеток или прекращению роста, что используется многими природными продуктами и полусинтетическим антибиотиками2,3,4,5. К ним относятся β-лактамы, наиболее клинически успешные антибиотики на сегодняшний день6,7. Цитоплазматические белки, которые синтезируют предшественника PG, Липид II – ундекапренил (C55) пирофосфат (Und-PP)-связанный дисахарид N-ацетилглюкозамина (GlcNAc) и пентапептид N-ацетилмурамовой кислоты (MurNAc) – и внеклеточные белки, ответственные за последующая полимеризация PG была индивидуально охарактеризована биохимически и структурно8,9.

В периплазме биосинтез PG начинается с специфичной для Липида II гликозилтрансферазы (GT), которая образует полимер гликановой цепи путем связывания дисахаридов двух молекул Липида II, одна из которых называется донором, а другая - акцептором, и тем самым высвобождает Und-PP из периплазмы. донорский участок (рис. 1а). После того, как две исходные молекулы Липида II соединяются вместе, образующийся тетрадисахарид, присоединенный к Und-PP, называемый Липидом IV, становится донором для другого акцептора Липида II, в свою очередь связывая его тетрасахарид с дисахаридом Липида II. с получением липида VI. Этот цикл повторяется процессивно, создавая все более длинные полисахаридные цепи, присоединенные к Und-PP (римская цифра обозначает количество моносахаридных групп в полисахаридной цепи). Как только растущий гликановый полимер достигает достаточной длины, он прикрепляется к существующему PG-саккулюсу посредством пептидных поперечных связей между пентапептидом гликановой цепи и пептидным стеблем существующего PG-саккулюса с помощью транспептидазы (TP) с образованием сшитого PG (рис. 1а). В E. coli GT RodA из семейства Shape, Elongation, Division and Sporulation (SEDS) и PBP2, монофункциональный пенициллин-связывающий белок TP класса B, опосредуют эти соответствующие ферментативные задачи10. RodA представляет собой интегральный мембранный белок, состоящий из десяти трансмембранных (TM) спиралей11, тогда как PBP2 имеет одну спираль TM и внеклеточный домен с классической складкой PBP класса B, содержащей активный сайт TP12,13. Вместе они составляют ядро ​​элонгасомы14, комплекса, ответственного за определение формы бактериальной палочки. Несмотря на недавние достижения в нашем понимании этой молекулярной машины15,16, не в последнюю очередь на основе кристаллической структуры комплекса Thermus thermophilus RodA-PBP217, фундаментальные вопросы механизма остаются нерешенными. Они включают характеристику молекулярных детерминант и конформационных состояний, необходимых для i) связывания липида II, ii) GT-полимеризации гликановых нитей и iii) последующей транслокации гликанового полимера в активный сайт TP.