PASTA-eSTK對細(xì)菌調(diào)節(jié)作用研究進(jìn)展

林思彤，劉曉琳，孫 磊，沙金丹，劉耀川，張德顯，劉明春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

文獻(xiàn)綜述

PASTA-eSTK對細(xì)菌調(diào)節(jié)作用研究進(jìn)展

林思彤，劉曉琳，孫 磊，沙金丹，劉耀川，張德顯*，劉明春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

細(xì)菌體內(nèi)的磷酸化蛋白可以使多種氨基酸如組氨酸、半胱氨酸、絲氨酸等發(fā)生磷酸化，對蛋白進(jìn)行修飾，進(jìn)而調(diào)節(jié)菌體生長、毒力和耐藥等多種生理學(xué)功能。eSTK是位于細(xì)菌細(xì)胞膜上的一種磷酸化蛋白，具有與真核生物細(xì)胞內(nèi)相似的催化反應(yīng)區(qū)和細(xì)菌所特有的胞外區(qū)，這個胞外區(qū)域被稱為PASTA。近年來發(fā)現(xiàn)，PASTA-eSTKs能夠調(diào)節(jié)細(xì)菌菌體內(nèi)多種物質(zhì)的合成以及生命活動，包括細(xì)菌細(xì)胞壁的合成、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞分裂和孢子的形成等，但在細(xì)菌的進(jìn)化過程中，不同細(xì)菌產(chǎn)生了特有的蛋白磷酸化調(diào)節(jié)機(jī)制，因而，PASTA-eSTKs在不同的菌體所表現(xiàn)出來的作用也有一定差異。論文就eSTKs通過PASTA對細(xì)菌分裂等方面的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行綜述，為探討該蛋白激酶對細(xì)菌細(xì)胞分裂和形態(tài)調(diào)節(jié)作用機(jī)制提供參考。

PASTA-eSTKs；蛋白磷酸化；細(xì)菌細(xì)胞分裂；信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

20世紀(jì)50年代以來，蛋白磷酸化被認(rèn)為是調(diào)節(jié)生物細(xì)胞生理生化功能的重要機(jī)制之一[1]。絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(serine and threonine kinases，STKs)是真核細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)磷酸化的重要機(jī)制，近年來，研究發(fā)現(xiàn)這種機(jī)制也廣泛存在于原核細(xì)胞如細(xì)菌菌體內(nèi)。真核生物細(xì)胞內(nèi)蛋白磷酸化通常發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基；而細(xì)菌內(nèi)的蛋白磷酸化則主要發(fā)生在組氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸和精氨酸殘基上，而較少發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基[2]。雖然發(fā)生蛋白磷酸化的氨基酸殘基存在差異，但是真核細(xì)胞和細(xì)菌的蛋白磷酸化酶的結(jié)構(gòu)具有高度的相似性[3]，因此也將細(xì)菌內(nèi)的蛋白磷酸化酶稱為真核樣絲氨酸/蘇氨酸激酶(eukaryotic-like serine and threonine kinases，eSTKs)。

eSTKs對細(xì)菌的毒力、細(xì)胞分裂和形態(tài)等多方面能夠產(chǎn)生影響[4-5]，而這種作用的產(chǎn)生依賴于激酶的保守催化區(qū)域和可變的子區(qū)域，后者包括醌類結(jié)合區(qū)域和類LuxR家族區(qū)域等[6]。這些可變區(qū)域的功能目前尚不清楚，推測可能與eSTKs的活化和/或?qū)Φ孜镒R別的特異性有關(guān)。某些細(xì)菌的eSTKs的可變區(qū)包含有能夠與β-內(nèi)酰胺類抗生素結(jié)合的青霉素結(jié)合蛋白和絲氨酸/蘇氨酸激酶連接區(qū)(penicillin binding proteins and STK-associated，PASTA)，PASTA也存在于青霉素結(jié)合蛋白(penicillin binding proteins，PBPs)的C末端[7]。eSTKs的PASTA與細(xì)菌細(xì)胞的分裂和形態(tài)調(diào)節(jié)密切相關(guān)[8]。本文就PASTA-eSTKs對細(xì)菌調(diào)節(jié)的作用進(jìn)行綜述。

1 PASTA-eSTKs的結(jié)構(gòu)

PASTA-eSTKs主要包括胞質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)和胞外結(jié)構(gòu)，關(guān)于前者的研究最早出現(xiàn)在結(jié)核桿菌菌體內(nèi)[9]，而胞外PASTA的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在結(jié)核桿菌的PknB和金黃色葡萄球菌的Stk1中發(fā)現(xiàn)[10]。本文主要以結(jié)核桿菌中的PknB和金黃色葡萄球菌中的Stk1為例，來闡明PASTA-eSTKs的結(jié)構(gòu)特征和激活過程。

1.1 PASTA-eSTKs的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域

PASTA-eSTKs的胞質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)域由激酶催化區(qū)域和近膜區(qū)域組成[11]。近膜區(qū)域的氨基酸序列容易發(fā)生變化，且受到激酶催化區(qū)域的影響，其與細(xì)胞膜的接近程度也會發(fā)生變化[12]，但該區(qū)域的具體作用尚不清楚。結(jié)核桿菌PknB近膜區(qū)域中的2個蘇氨酸殘基被磷酸化之后，能夠活化PASTA-eSTKs，推測此區(qū)域能夠與蘇氨酸的底物進(jìn)行進(jìn)行特異性結(jié)合，并能夠誘導(dǎo)結(jié)核桿菌PknB近膜區(qū)域的蘇氨酸發(fā)生磷酸化[13]。

Young T A等[14-15]最早進(jìn)行了結(jié)核桿菌PknB結(jié)構(gòu)域的研究，盡管該蛋白跟真核細(xì)胞STK的氨基酸序列的相似率只有30%左右，但是PknB含有維持STK活性的主要氨基酸序列，包括PknB的N末端的β-折疊和C末端的螺旋結(jié)構(gòu)。此外，PknB的N末端也包含一些α螺旋，能夠影響該蛋白的催化活性，同真核生物一樣，細(xì)菌體內(nèi)的ATP能夠結(jié)合在N末端的β-折疊和α螺旋之間的可變區(qū)，證明細(xì)菌和真核生物都具有保守的ATP結(jié)合區(qū)[16]。

1.2 PASTA-eSTKs的胞外結(jié)構(gòu)區(qū)

PASTA-eSTKs的胞外結(jié)構(gòu)區(qū)包含多個PASTA基序，且不同的細(xì)菌含有的PASTA超二級結(jié)構(gòu)體的數(shù)量也不相同，如棒狀鏈霉菌的PASTA-eSTKs僅含有1個PASTA超二級結(jié)構(gòu)體，而惰性真桿菌中則含有7個PASTA基序。發(fā)現(xiàn)鏈霉菌PknB的4個串聯(lián)重復(fù)序列和能夠連接肽聚糖的PBPs C末端具有高度同源性，并命名為細(xì)菌的eSTKs的PASTA基序[17]。PASTA超二級結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)最早在肺炎鏈球菌的PBP2X上得到證實，PBP2X包括兩個PASTA基序，每一個PASTA包含一個由3個β-折疊和1個α螺旋組成的球狀體[18]。隨后證實，結(jié)核桿菌的PknB和金黃色葡萄球菌Stk1與肺炎鏈球菌PBP2X中的具有相似的PASTA基序，但是PASTA基序的氨基酸序列具有較大差異[8]。氨基酸序列的差異提示細(xì)菌的真核樣絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶胞外結(jié)構(gòu)區(qū)的具有較高的可變性，因此多種外界因素能夠影響細(xì)菌的生長和細(xì)胞形態(tài)，但具體的機(jī)制仍需要進(jìn)一步的研究。

1.3 PASTA在細(xì)菌eSTKs活化過程中的信號傳導(dǎo)作用

青霉素結(jié)合蛋白的PASTA和細(xì)菌eSTKs的PASTA結(jié)構(gòu)上具有相似性，而β-內(nèi)酰胺類藥物能夠與PBPs的PASTA區(qū)域結(jié)合[10]，因此，推測細(xì)菌eSTK的PASTA也能夠與β-內(nèi)酰胺類藥物結(jié)合。真核生物體中，STKs的受體跟配體結(jié)合后而使該酶活化，細(xì)菌eSTKs則是通過與胞壁肽結(jié)合形成二聚體，活化此蛋白激酶。因此，細(xì)菌eSTKs的PASTA部分可以感應(yīng)細(xì)胞壁是否受損，而將此信號傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)，并由此而產(chǎn)生一系列的磷酸化作用，影響菌體的生長和形態(tài)等生物學(xué)特征。在細(xì)菌培養(yǎng)液中加入胞壁肽可以促進(jìn)細(xì)菌產(chǎn)生孢子，而缺乏STKs的菌株則不能產(chǎn)生孢子，而細(xì)菌的eSTKs的PASTA能夠結(jié)合胞壁肽[19]，提示細(xì)菌孢子的產(chǎn)生是由于eSTKs的PASTA與胞壁肽結(jié)合之后，引起細(xì)菌菌體內(nèi)一系列生物學(xué)變化，促使細(xì)菌產(chǎn)生孢子，進(jìn)而抵抗外界惡劣的生存環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn),某些細(xì)菌eSTK的PASTA是單體結(jié)構(gòu)，不能夠與胞壁肽形成二聚體結(jié)構(gòu)[17]。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)雖然這些細(xì)菌eSTKs的PASTA是單體結(jié)構(gòu)，但是該蛋白激酶跨膜區(qū)可感應(yīng)外界環(huán)境中的胞壁肽的濃度，促進(jìn)此胞外PASTA單體結(jié)構(gòu)的二聚體化，進(jìn)而活化eSTKs[20]。此外，StkP和PknB的PASTA能夠影響激酶在細(xì)菌菌體表面的位置，如PASTA的二聚體化可使StkP更傾向于集中于桿菌菌體的中部，而促使PknB出現(xiàn)在桿菌的兩端[21]?？傊?，細(xì)菌eSTKs的PASTA結(jié)構(gòu)能夠與菌體細(xì)胞壁的成分相互作用，活化eSTKs，進(jìn)而調(diào)節(jié)菌體的多種生理活動。

2 PASTA-eSTKs的生物學(xué)作用

PASTA-eSTKs能夠調(diào)節(jié)細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，影響細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞分裂和孢子的形成等，但是在不同的菌體所表現(xiàn)出來的作用也有一定差異，可能是由于細(xì)菌在進(jìn)化過程中，不同菌種產(chǎn)生了特有的蛋白磷酸化調(diào)節(jié)機(jī)制。因此，本綜述主要對目前研究比較多的結(jié)核桿菌和金黃色葡萄球菌來闡明PASTA-eSTKs的生物學(xué)作用。

2.1 PASTA-eSTKs在結(jié)核桿菌中的作用

結(jié)核桿菌eSTKs PknA的過表達(dá)能夠影響菌體形態(tài)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該菌的PknA和PknB對菌體的形態(tài)具有重要的調(diào)節(jié)作用，且PknA和PknB的過表達(dá)會使細(xì)菌的菌體呈現(xiàn)短而圓的形態(tài)，而這兩個基因的不表達(dá)會導(dǎo)致菌體出現(xiàn)相反的細(xì)菌形態(tài)[22]。Wag31與細(xì)菌的細(xì)胞分裂有關(guān)，Wag31被PknA磷酸化以后調(diào)節(jié)桿菌兩端的肽聚糖的合成，而中間部分的肽聚糖合成受到抑制，進(jìn)而促使細(xì)菌形成短圓形的菌體[23]。在結(jié)核桿菌菌體內(nèi)，PknB能夠使PknA發(fā)生磷酸化，因此，這兩種eSTKs能夠通過一系列復(fù)雜的信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)使菌體內(nèi)的細(xì)胞分化蛋白發(fā)生磷酸化，來調(diào)節(jié)菌體的生長和菌體形態(tài)[24]。結(jié)核桿菌PknA和PknB也可以通過磷酸化PBPA影響結(jié)核桿菌菌體形態(tài)，但是，PknA和PknB并不是直接作用于肽聚糖的合成而影響菌體形態(tài)，而是通過影響肽聚糖的連接方式改變菌體形態(tài)[22]。MurD和GlmU受到PknA和PknB的磷酸化后也能夠參與結(jié)核桿菌肽聚糖的合成，雖然MurD在結(jié)核桿菌肽聚糖合成過程中的具體作用尚不明確，但是研究發(fā)現(xiàn)，GlmU磷酸化后其乙酰轉(zhuǎn)移酶活性明顯降低[25]。結(jié)核桿菌中的HupB可被真核樣絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶PknA和PknB磷酸化，并降低與DNA的結(jié)合能力，提示PknA和PknB也可能參與細(xì)菌菌體細(xì)胞分裂過程中的DNA的分布[26]。

2.2 PASTA-eSTKs在金黃色葡萄球菌中的作用

Stk1是金黃色葡萄球菌中的eSTKs，盡管沒有發(fā)現(xiàn)直接的證據(jù)能夠說明Stk1參與了金黃色葡萄球菌細(xì)胞壁的合成，但是在某些研究發(fā)現(xiàn)，Stk1可能間接的參與了細(xì)菌細(xì)胞壁的合成。敲除Stk1的金黃色葡萄球菌對某些β-內(nèi)酰胺類藥物的敏感性增強(qiáng)，并且細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，推測這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于細(xì)菌細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而導(dǎo)致的[27]。同時，使用stp1基因替換金黃色葡萄球菌的Stk1之后，金黃色葡萄球菌的細(xì)胞壁變薄，進(jìn)一步證實了Stk1介導(dǎo)的磷酸化作用在細(xì)胞壁的形成過程中發(fā)揮重要作用[28]。萬古霉素和陽離子抗菌肽能夠破壞細(xì)菌細(xì)胞壁而產(chǎn)生殺菌作用，GraSR是細(xì)菌體內(nèi)與萬古霉素和離子類抗生素耐藥相關(guān)的二元調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中GraS發(fā)揮轉(zhuǎn)移調(diào)控作用依賴于Stk1的磷酸化作用[29]。GraS中胞壁酸結(jié)合區(qū)上的3個蘇氨酸在Stk1的作用下發(fā)生磷酸化后可增強(qiáng)對胞壁酸的結(jié)合能力，并在D-丙氨酸的調(diào)節(jié)作用下促進(jìn)細(xì)胞壁的合成作用，對抗萬古霉素和陽離子抗菌肽對細(xì)菌細(xì)胞壁的破壞作用[29]。

3 小結(jié)

PASTA-STKs與細(xì)菌的細(xì)胞分裂、菌體形態(tài)和耐藥等密切相關(guān)，由于PASTA-STKs作用底物比較多，產(chǎn)生的生物學(xué)活性比較廣泛，尚無關(guān)于PASTA-STKs對菌體生物學(xué)活性影響的明確機(jī)制，因此，明確PASTA-STKs對底物的特異性識別機(jī)制，對研究其在菌體內(nèi)的生物學(xué)活性具有重要作用。

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ProgressonRegulatoryEffectofPASTA-eSTKonBacteria

LIN Si-tong,LIU Xiao-lin,SUN Lei,SHA Jin-dan,ZHANG De-xian,LIU Ming-chun

(CollegeofAnimalHusbandryandVeterinaryMedicine,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning,110866,China)

Bacteria possess a repertoire of versatile protein kinases modulating diverse aspects of their physiology by phosphorylating proteins and regulate the cell growth,virulence and drug resistance on various amino acids including histidine,cysteine,serine.eSTK is a phosphorylated protein located on the bacterial cell membrane and has an extracellular domain peculiar to the catalytic reaction zone and bacteria that are similar to the eukaryotic cells.This extracellular domain is called PASTA.In lots of recent reports suggesting that PASTA-eSTKs could be involved in the formation of compounds and life processes in bacteria including the cell wall synthesis,cell division,morphogenesis and developmental processes in spore.However,observations differ from one species to another suggesting that a general mechanism of activation of their kinase activity is unlikely and that species-specific regulation of cell division is at play.In this paper,we reviewed the regulation of eSTKs on bacterial cells by PASTA,and laid a foundation for the mechanism of protein kinase on bacterial cell division regulation and so on.

PASTA-eSTKs; protein phosphorylation; bacterial cell division; signal transformation

2017-03-30

遼寧省教育廳項目(LSNYB201601)

林思彤(1993-)，女，遼寧營口人，碩士研究生，主要從獸醫(yī)藥理學(xué)與毒理學(xué)研究。*

S852.2

A

1007-5038(2017)11-0094-04