来源：iNature（ID：Plant_ihuman）
革兰氏阳性菌通过分泌具有分子内异肽键或酯键的各种表面蛋白，在其入侵和定植过程中可以抵抗较大的机械扰动。与异肽键相比，酯键更容易水解。酯键是否可以像异肽键一样完全阻止机械延伸，或者酯键是否通过键断裂耗散机械能，仍然难以捉摸。
2021年8月23日，南京大学曹毅团队在Nature Communications在线发表题为“An ester bond underlies the mechanical strength of a pathogen surface protein”的研究论文，该研究表明即使在力 > 2 nN下，包含Cpe0147茎结构域的酯键也是不可扩展的。
酯键将结构锁定为部分未折叠的构象，其中酯键在很大程度上保持水不可接近。这使得酯键能够承受相当大的机械力，从而防止蛋白质完全展开。然而，由于蛋白质结构不稳定，在非生理碱性 pH 值或低钙浓度下，保护作用可能会降低。受这一设计原则的启发，该研究设计了一种二硫化物突变体，可以在还原条件下抵抗机械展开。
革兰氏阳性细菌产生多种表面粘附蛋白，用于宿主表面结合、生物膜形成和免疫逃避。这些蛋白质包括杆状菌毛和其他大型多域蛋白质，例如识别粘附基质分子的微生物表面成分 (MSCRAMM)。尽管这些蛋白质具有不同的合成途径，但它们共享类似的“串珠”扩展组织。这些蛋白质中的许多域采用 Ig 样结构，具有不寻常的分子内共价交联，包括硫酯、异肽和酯键。这些键赋予蛋白质出色的机械功能，以实现强大的表面锚定或抵抗大的机械扰动。
根据化学反应性和蛋白质结构中的位置，硫酯键和异肽键具有不同的机械功能。异肽键通常在 Lys 和 Asn（或 Asp）残基的侧链之间形成，并且在生理条件下具有化学惰性。单分子力谱实验和分子动力学模拟都表明，含有异肽键的蛋白质可以承受相当大的机械力。例如，spy0128 是化脓性链球菌的主要菌毛蛋白亚基，由于第一个和最后一个 β 链之间存在异肽键，因此不可延伸至 800 pN。此外，由于异肽键位于应力集中的部位，它将蛋白质锁定在部分未折叠的结构中，并允许在负载下快速重折叠。
在来自白喉棒杆菌的另一个菌毛蛋白亚基 SpaA 中，异肽键还可以限制该 CnaA Ig 型结构域在机械应力下的完全展开。与异肽键不同，硫酯键更不稳定，可以与宿主组织中丰富的氨基反应。它们通常存在于菌毛蛋白末端粘附素处，并在 Cys 和 Gln 残基的侧链之间形成。硫酯与亲核配体的反应与宿主表面产生强共价粘附，以抵抗大的机械应力。有趣的是，最近的研究表明，硫酯键的反应性在低作用力下很高，并且可以在大于 35 pN 的作用力下完全被阻断，从而导致细菌应力依赖性流动性。
酯键是在革兰氏阳性表面蛋白中发现的另一种分子内共价键，在 Thr 和 Gln 残基的侧链之间形成。它首先在产气荚膜梭菌的表面锚定蛋白 Cpe0147 中发现，然后广泛存在于许多细菌表面粘附分子中。这些蛋白质中的酯键通常与 spy0128 中的异肽键位于相同的位置。然而，由于酯键在酸性和碱性条件下都容易水解，因此这种独特的化学性质如何影响含酯键的蛋白质的机械性质在很大程度上是未知的。先前的研究表明，Cpe0147 在正常生理条件下具有抗水解性，这意味着酯键不受 OH− 离子的攻击。然而，由于机械力可能会局部破坏蛋白质结构的稳定性。揭示含有酯键的蛋白质的机械反应也可能为革兰氏阳性菌的病理机制提供新的见解，并有助于开发基于阻断酯键形成的抗生素。
在这项工作中，采用基于原子力显微镜 (AFM) 的单分子力显微镜、蛋白质工程和分子动力学模拟来研究 Cpe0147 的 C1 域的机械性能。该研究发现 C1 表现出与含有蛋白质 spy0128 的异肽键相似的机械稳定性，并且即使在力 > 2 nN 下也是不可延伸的。相比之下，如果从不同方向施加力来展开蛋白质结构，酯键仅在~80 pN 的力下断裂。这些结果表明酯键和蛋白质结构之间的相互作用对 C1 结构域的机械性能至关重要。
分子动力学模拟表明，酯键将结构锁定为部分未折叠的构象，其中酯键在很大程度上保持水无法进入的状态。这使得酯键能够承受相当大的机械力，进而防止蛋白质完全展开。另一方面，一旦蛋白质的结构在碱性 pH 值或低钙条件下不稳定（通常在伤口表面发现），一些 C1 结构域就会展开，导致酯键在机械负荷下水解。综上所述，该研究揭示了一种未知的机制，使粘附蛋白能够使用可水解的酯键来承受高机械负荷。依赖环境的机械稳定性可能与 Cpe0147 在体内的生物学功能有关。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25425-6
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