揭秘 ABC 转运蛋白 Tba 的底物特异性及其在糖肽生物合成中的关键作用

《iScience》：Unveiling the substrate specificity of the ABC transporter Tba and its role in glycopeptide biosynthesis

为探究糖肽抗生素（GPA）的转运机制，研究人员对 Tba 进行研究，发现其特异性及对合成的调控作用。

　　在微生物的奇妙世界里，抗生素的合成与运输一直是科学家们热衷探索的领域。糖肽抗生素（Glycopeptide antibiotics，GPAs）作为一类重要的抗生素，由放线菌合成，像万古霉素、替考拉宁等，它们是治疗耐药革兰氏阳性菌感染的 “最后防线” 。基于独特的肽骨干组成和修饰模式，GPAs 可分为五种结构亚类，其中 I - IV 型被视为 “真正” 的 GPAs，V 型则被归类为糖肽相关肽（GRPs）。

然而，在 GPAs 的研究中，存在着一些亟待解决的问题。尽管 GPAs 的生物合成基因簇已被发现，其中包含了调控和运输相关的基因，但对于促进 GPAs 输出的 ATP 结合盒（ABC）转运蛋白，人们知之甚少。目前仅对与 I 型 GPA 巴龙霉素（balhimycin）相关的转运蛋白 Tba 进行了功能表征，而关于 GPAs 的生物合成和输出过程是如何协调的，仍然是一个未解之谜。为了深入了解 GPAs 的转运机制，来自德国图宾根大学等机构的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《iScience》杂志上。

研究人员采用了多种先进的技术方法。系统发育分析用于探究 GPA ABC 转运蛋白的进化关系和底物特异性；分子动力学模拟（MD simulation）从分子层面研究 GPAs 与 ABC 转运蛋白的相互作用；定点突变技术构建突变体，验证转运蛋白关键位点的作用；转录组分析和代谢组分析则用于探究 Tba 缺失对生物合成的影响机制。

在研究结果部分，首先是生物信息学分析和系统发育重建。研究人员在 89 个 GPA 和 GRP 生物合成基因簇（BGCs）中寻找假定的 ABC 转运蛋白基因，发现每个 BGCs 都编码一个假定的转运蛋白，且这些转运蛋白具有相似的结构特征。通过系统发育分析发现，I - IV 型 GPA 的转运蛋白倾向于根据 GPA 类型聚类，表明转运蛋白的特异性可能与肽骨干有关，而非修饰。

其次，研究人员通过体内互补实验验证了 GPA 相关 ABC 转运蛋白的底物特异性。构建 A. balhimycina ?tba 突变体，用不同的转运蛋白基因进行互补，结果显示只有来自 I 型 GPA（如万古霉素）BGCs 的转运蛋白基因能有效互补，而来自 III 型 GPA（如瑞斯托霉素）BGCs 的转运蛋白基因则不能，这进一步证实了转运蛋白的特异性与肽骨干相关。

随后，分子建模和体内验证实验表明，ABC 转运蛋白的特异性取决于 GPA 骨干，而非糖基部分。分子动力学模拟显示，GPAs 骨干与转运蛋白跨膜结构域（TMD）核心口袋的残基存在保守相互作用，而糖基主要影响化合物的溶解性。体内实验中，对 Tba 进行定点突变，发现 T316A 突变显著降低了巴龙霉素的输出水平，而缺失糖修饰的巴龙霉素衍生物输出量反而增加，这都支持了上述结论。

此外，研究还发现 ABC 转运蛋白 Tba 与 GPA 生物合成机制在膜上相互作用。A. balhimycina ?tba 突变体和产生出口缺陷型转运蛋白的突变体中，巴龙霉素的细胞内水平较低，这表明 Tba 的缺失影响了巴龙霉素的生物合成。转录组和代谢组分析排除了转录调控和反馈抑制的影响，而邻近依赖性生物素化实验则表明，Tba 与巴龙霉素生物合成的多种酶接近，可能通过与生物合成机制的相互作用来促进巴龙霉素的产生。

综合研究结论和讨论部分，这项研究深入揭示了 GPA 相关 ABC 转运蛋白的进化关系、底物特异性以及在 GPA 生物合成中的调控功能。研究表明，ABC 转运蛋白的特异性由 GPA 肽骨干的氨基酸组成决定，而非修饰，且 Tba 对巴龙霉素的生物合成至关重要，其与生物合成机制的相互作用可能刺激巴龙霉素的产生。这一研究为深入理解 GPA 的生物合成和转运机制提供了重要依据，有助于开发新型抗生素和优化现有抗生素的生产。同时，研究也存在一定的局限性，如需要进一步通过体外研究来全面表征 Tba 与巴龙霉素的结合口袋，验证 Tba 与生物合成机制的相互作用等。未来的研究可以在此基础上深入开展，为抗生素领域的发展带来更多突破。