综述：大肠杆菌多功能外膜通道蛋白 TolC 的历史回顾

本文全面综述了大肠杆菌外膜通道蛋白 TolC 的研究进展。TolC 在抗菌耐药、代谢、膜完整性和宿主生存等方面具有重要作用。文章梳理其发现历程、结构功能、调控机制等，指出研究空白，为后续探究提供方向，助力相关领域深入研究。

　　

引言

自近 60 年前发现以来，TolC 在大肠杆菌中就与多种细胞功能相关。它能外排环境应激物和毒力因子，还可作为特定噬菌体和大肠杆菌素 E1 毒素的受体。本文回顾过去六十年的关键发现，探讨 TolC 在大肠杆菌生理功能中作用的研究现状与不足。

TolC 的结构与组装

TolC 是大肠杆菌中一种独特的外膜通道蛋白，由三个原聚体组装形成跨越外膜和周质的 “通道隧道”。其上部是 12 链 β - 桶结构，由每个原聚体的 4 条 β - 链构成，与其他大肠杆菌外膜蛋白结构不同。独特的 α - 螺旋桶从 β - 桶延伸到周质，通道内部有较大空腔，在蛋白 H 处约 100 ? 的范围内保持约 20 ? 的内径，向周质端半径缩小至约 2 ?，由 α - 螺旋缠绕形成封闭结构123。

在组装过程方面，TolC 在细胞质中合成，带有 N 端信号肽，通过 Sec 转位酶进入周质。与大多数外膜蛋白不同，TolC 似乎遵循独特的组装途径，不依赖已知的伴侣蛋白。其折叠涉及两个中间体，先形成主要为 α - 螺旋的单体，再组装成三聚体，之后由转运和组装模块（TAM）和 β - 桶组装机器（BAM）复合物协助插入外膜，但具体分子机制仍有待进一步研究456。

大肠杆菌中的其他外膜通道蛋白

大肠杆菌除 TolC 外，还编码 CusC、MdtP 和 MdtQ 三种同源外膜通道蛋白。CusC 是 CusCFAB 阳离子外排系统的一部分，参与铜和银离子的排出；MdtP 和 MdtQ 功能尚未明确，但敲除相关基因会使大肠杆菌对嘌呤霉素、吖啶黄和四苯基氯化砷的敏感性增加，暗示它们可能参与物质运输789。

这些蛋白与 TolC 的氨基酸序列相似性较低，但结构同源。通过距离矩阵比对（DALI）发现，CusC 与 TolC 结构高度相似，MdtP 和 MdtQ 的预测结构也与 TolC 相似，不过还需实验验证。它们在大肠杆菌核心基因组中高度保守，表明在进化过程中具有重要作用，未来研究应关注其在细菌生理和适应过程中的具体功能101112。

TolC 表达的调控

TolC 的表达受复杂网络调控，每个大肠杆菌细胞约含 1500 个 TolC 蛋白分子，在环境刺激下数量会增加。其调控涉及四个启动子（p1、p2、p3 和 p4），属于 marA、soxS 和 rob（marA/soxS/rob）转录调节子。MarA、SoxS 和 Rob 能与靶基因启动子中的 marbox 结合，激活 TolC 从 p3 和 p4 启动子的表达131415。

p1 和 p2 启动子位于 marbox 上游，受其他转录调节子控制。p1 的调控机制尚不清楚，p2 受 PhoPQ 和 EvgAS 双组分系统调控。PhoPQ 在低浓度二价阳离子（如 Mg²⁺）条件下激活，调节与细胞包膜应激相关的基因；EvgAS 通过激活 PhoPQ 间接控制 TolC 表达。此外，AcrR 作为全局抑制子间接抑制 TolC 表达，小调节 RNA（sRNA）SdsR 在稳定期大量表达，可在转录后抑制 TolC 表达1617。

TolC 的多样功能

1. 抗菌耐药：TolC 是外排机制的基本组成部分，通过与耐药 - 结节 - 细胞分裂（RND）、ATP 结合盒（ABC）和主要促进超家族（MFS）外排泵形成三元复合物，赋予大肠杆菌广泛的抗菌耐药性。它能间接促进水平获得的耐药机制，在抗菌剂存在时有助于形成持留菌。TolC 被认为是非选择性的，底物特异性源于外排泵及其周质适配蛋白，但 TolC α - 螺旋桶周质端内表面带负电，可能影响底物运输，且部分残基与底物特异性有关1819。
2. 介导内源性生理底物的外排：除了排出外源性抗菌化合物，TolC 还参与多种内源性化合物的外排，如在微生物竞争中排出抗菌肽（如大肠杆菌素 V 和微菌素 J25），与内膜药物外排泵协同参与代谢物外排，如铁载体肠杆菌素。肠杆菌素因分子较大无法通过孔蛋白扩散，TolC 参与其外排，敲除 tolC 会影响大肠杆菌在缺铁条件下的生长。此外，TolC 还与卟啉、活性氮物种等代谢物的外排有关202122。
3. 维持细胞包膜完整性：TolC 与大肠杆菌细胞包膜的完整性和功能密切相关。tolC 突变体中，外膜蛋白 OmpF 水平降低，这是由于 mar - sox - rob 调节子上调，特别是 Rob 增加了 MicF 的表达，MicF 与 ompF mRNA 结合抑制其翻译。tolC 突变体对多种抗菌剂敏感性增加，除了外排功能丧失，还会导致细胞包膜结构和力学性能改变。研究发现，敲除 tolC 会使大肠杆菌对脂多糖（LPS）运输的扰动更敏感，tolC 突变体在 LPS 结构和外膜不对称组织方面可能存在变化，但 TolC 在 LPS 成熟组装中的具体作用机制仍不清楚232425。
4. 毒力、致病性和宿主相互作用：TolC 是 I 型分泌系统（T1SS）的关键组成部分，有助于分泌毒力因子，增强致病性大肠杆菌在宿主组织中的定植、侵袭和持续存在能力。例如，溶血性大肠杆菌的 α - 溶血素（HlyA）分泌依赖于由 HlyB、HlyD 和 TolC 组成的 T1SS。TolC 还与细菌的聚集、粘附、生物膜形成以及酸抵抗有关，在大肠杆菌抵抗宿主胃肠道酸性环境中发挥重要作用，但相关具体机制仍有待深入研究2627。

结论

TolC 在大肠杆菌生理学中发挥着重要作用，涉及多药耐药、膜完整性、酸生存和 T1SS 功能等多个方面。尽管对 TolC 的研究已有数十年，但仍有许多功能未被充分研究。其折叠和插入外膜的过程、与其他外排系统及 T1SS 相互作用的分子细节、在细胞包膜完整性和 LPS 组成中的具体机制，以及在酸抵抗中的分子机制等，都需要进一步研究。这些研究将有助于深入理解大肠杆菌的生理过程，为开发新型抗菌策略提供理论依据。