大腸菌RodAによるペプチドグリカン合成の構造基盤

Nature Communications volume 14、記事番号: 5151 (2023) この記事を引用

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ペプチドグリカン (PG) は、細胞の分裂と伸長中に合成される細菌の細胞壁の必須の構造成分です。 PG は細胞の生存に不可欠な細胞外ポリマーを形成し、その合成は多くの抗生物質の標的となっています。 PG の構築には、リピッド II 基質を使用してグリカン ポリマーを生成するグリコシルトランスフェラーゼ (GT) が必要です。その後、トランスペプチダーゼ (TP) 反応によって既存の PG に架橋されます。 形状、伸長、分裂、胞子形成 (SEDS) GT 酵素とクラス B ペニシリン結合タンパク質 (PBP) は、PG の構築に必要な多タンパク質複合体のコアを形成します。 今回我々は、単粒子クライオ電子顕微鏡法を使用して、細胞伸長に特異的な大腸菌 RodA-PBP2 複合体の構造を決定しました。 私たちはこの情報を生化学的、遺伝的、分光学的、およびコンピューター分析と組み合わせて、Lipid II 結合部位を特定し、Lipid II 重合のメカニズムを提案します。 我々のデータは、RodA の Lipid II 重合部位から PBP2 の TP 部位に向かってグリカン鎖が移動し、細胞壁ペプチドグリカン生合成に必要なこれら 2 つの中心的な酵素活性を機能的に結びつけているという仮説を示唆しています。

細菌の細胞の形状は、細胞外ポリマーペプチドグリカン (PG) によって決定され、維持されます。これは、短いペプチドで架橋された重合グリカン鎖で構成される細胞膜を取り囲むメッシュ状の嚢です1。 PG 合成は細菌の増殖の律速であり、多くの天然物や半合成抗生物質が利用しているように、PG 合成の破壊は細胞溶解または増殖の停止をもたらします 2、3、4、5。 これらには、これまで臨床的に最も成功した抗生物質であるβ-ラクタムが含まれます6,7。 PG前駆体であるリピドII（N-アセチルグルコサミン（GlcNAc）とN-アセチルムラミン酸（MurNAc）ペンタペプチドのウンデカプレニル（C55）ピロリン酸（Und-PP）結合二糖）を合成する細胞質タンパク質と、その後の PG の重合は、生化学的および構造的に個別に特徴付けられています 8,9。

ペリプラズムでは、PG 生合成は Lipid II 特異的グリコシルトランスフェラーゼ (GT) で始まり、2 つの Lipid II 分子 (一方はドナーと呼ばれ、もう一方はアクセプターと呼ばれる) の二糖を結合することによってグリカン鎖ポリマーを形成し、それによって細胞から Und-PP を放出します。ドナーサイト（図1a）。 最初の 2 つのリピッド II 分子が結合した後、結果として生じる Und-PP に結合したリピッド IV と呼ばれる四糖が別のリピッド II アクセプターの供与体となり、その四糖がリピッド II 二糖に結合します。リピド VI を生成します。 このサイクルは進行的に繰り返され、Und-PP に結合した徐々に長い多糖鎖が生成されます (ローマ数字は多糖鎖内の単糖基の数を示します)。 成長するグリカンポリマーが十分な長さに達すると、トランスペプチダーゼ（TP）によるグリカン鎖のペンタペプチドと既存のPG球形嚢上のペプチドステム間のペプチド架橋を介して既存のPG球形球に結合し、架橋PGが生成されます（図1）。 1a)。 大腸菌では、形状、伸長、分裂、胞子形成 (SEDS) ファミリーの GT RodA、および単機能性 TP クラス B ペニシリン結合タンパク質である PBP2 が、これらのそれぞれの酵素タスクを媒介します 10。 RodA は 10 個の膜貫通 (TM) ヘリックスからなる内在性膜タンパク質 11 であるのに対し、PBP2 は 1 つの TM ヘリックスと、TP 活性部位を含む古典的なクラス B PBP フォールドを持つ細胞外ドメインを持っています 12,13。 これらは一緒になって、細菌の桿体の形状の決定に関与する複合体であるエロンガソーム 14 のコアを構成します。 この分子機械、特にサーマス・サーモフィラス RodA-PBP2 複合体の結晶構造に由来する分子機械の理解は最近進んでいる 15,16 にもかかわらず、基本的な機構に関する疑問は未解決のままです。 これらには、i) リピド II 結合、ii) グリカン鎖の GT 重合、および iii) その後のグリカンポリマーの TP 活性部位への移行に必要な分子決定基および立体構造状態の特性評価が含まれます。