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2026年3月6日,武汉大学药学院董长江与张郑宇团队在国际权威期刊《Science Advances》上发表了题为“Structural basis of outer membrane biogenesis and cell division by Tol/Pal nanomachinery”的研究论文。该研究通过高分辨率冷冻电镜技术,首次揭示了革兰氏阴性菌Tol/Pal系统的核心复合物TolQRA在不同生理pH条件下的三维结构,阐明了质子动力势驱动外膜生物发生与细胞分裂的分子机制。% O8 J6 [1 e; c+ X8 N3 w2 t
细菌外膜的“能量传递中继站”; U) F9 u" l; O& I
革兰氏阴性菌拥有复杂的外膜结构,这是其抵御抗生素入侵的天然屏障。外膜的组装、维持以及在细胞分裂过程中的内陷,高度依赖于跨膜能量传递系统。Tol/Pal系统便是其中的核心,它利用内膜两侧的质子动力势(PMF)产生机械能。然而,能量如何从内膜的TolQRA复合物远距离传递至Pal蛋白,其精确的组装模式和能量转化机制此前一直是生物学界的难题。% | j K& ?# [3 J
5:2:5组装模式与“双门”转运机制: ]- O. |: a) C6 K1 ]: c' o! f" W
在该研究中,团队利用单颗粒冷冻电镜技术,解析了TolQRA复合物在 pH 5.4(分辨率3.18 Å)和 pH 8.0(分辨率3.60 Å)下的两种高分辨率结构。! t, |' m: ?6 u5 J
独特的计量关系: 研究确立了TolQ、TolR与TolA以 5:2:5 的比例组装成稳定的纳米机器复合物,并精确识别了各亚基间相互作用的关键氨基酸残基。/ e: }# W" o; T7 k; }- a% T
动态能量转化: 通过对比不同pH条件下的结构,团队提出了“双门(Dual-gate)”式质子转运模型。该模型解释了TolQRA如何捕获质子流动产生的能量,并通过构象变化驱动TolA的运动,从而实现无ATP供应情况下的远距离能量传输。0 S# O! K6 ~8 E, ]) n7 r3 b2 g
助力新型抗菌药物研发
6 h0 z4 M# ~! K 这一成果不仅填补了Tol/Pal系统结构生物学的空白,也为同家族的其他重要纳米机器(如ExbBD-TonB、MotAB等)的研究提供了重要的理论支撑。鉴于Tol/Pal系统在细菌生存中的不可或缺性,该研究解析的高分辨率结构将作为理想的药物靶点模板,助力开发针对耐药菌的新型抗菌药物。
5 g% Q1 |6 j3 B% }* n. z9 R通讯作者:武汉大学药学院董长江教授、张郑宇教授;共同第一作者:药学院博士后陈雅甜、博士研究生杨彪。武汉大学药学院为第一完成单位。研究获中国国家重点研发计划、国家自然科学基金、武汉大学战略与人才支持计划、中央高校基础科研基金及中国博士后科学基金会面上项目资助。感谢华威大学 P. J. Stansfeld 教授,武汉大学生物冷冻电镜中心及团队成员的支持与协助。 |
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