通过丝氨酸/苏氨酸磷酸化以及GpsB在变异链球菌（Streptococcus mutans）中的翻译后修饰

《mSystems》：Post-translational modifications via serine/threonine phosphorylation and GpsB in Streptococcus mutans

磷酸化蛋白组学研究揭示链球菌S. mutans中O-磷酸化在翻译、糖代谢和细胞周期中的关键作用，鉴定231个高置信度磷酸化位点，并发现PknB激酶和PppL磷酸酶的互作网络。通过ΔpknB和ΔpppL突变体分析，确定G98R磷酸酶突变可恢复DivIVA磷酸化，缓解GpsB缺失导致的生长缺陷。

　　该研究聚焦于一种重要的致龋菌——唾液链球菌（*Streptococcus mutans*），通过全面的磷酸化蛋白质组分析揭示了其在非应激条件下的广泛O-磷酸化现象。这项工作不仅为理解该细菌的基本生理调控机制提供了新视角，还为未来开发针对其磷酸化调控的抗菌策略奠定了基础。以下是该研究的详细解读。

### O-磷酸化在细菌中的重要性

O-磷酸化是细菌中一种关键的翻译后修饰（PTM），其作用类似于真核生物中的磷酸化调控。这种修饰通常发生在丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上，能够影响蛋白质的活性、定位和功能。在真核生物中，O-磷酸化是调控细胞功能的核心机制之一，而在细菌中，尽管其结构相对简单，但同样通过这种修饰实现对细胞过程的精细调控。例如，磷酸化可以调节蛋白质的活性，从而影响细菌的生长、分裂和代谢活动。这种调控机制在多种细菌中已被发现，但对*Streptococcus mutans*的系统研究却相对匮乏。

### 本研究的核心发现

研究人员首次全面分析了*Streptococcus mutans*的O-磷酸化蛋白质组，共鉴定出131种蛋白质上的231个高置信度磷酸化位点，占检测到的蛋白质总数的约6.7%。这些磷酸化蛋白主要富集在与翻译、糖代谢和细胞周期相关的通路中，表明O-磷酸化在维持细菌基本生理功能方面发挥着广泛作用。研究进一步揭示了该细菌中唯一的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶PknB和唯一的磷酸酶PppL在调控这些磷酸化事件中的核心作用。

### PknB和PppL的功能分析

为了深入理解PknB和PppL的功能，研究者分析了Δ*pknB*和Δ*pppL*突变株的磷酸化蛋白质组和蛋白质组变化。Δ*pknB*突变株表现出广泛的蛋白质丰度和磷酸化水平的改变，而Δ*pppL*突变株则显示出磷酸化水平的显著升高。这些结果与之前报道的该菌株的遗传能力、生物膜形成、细胞壁合成和转录表型相一致，表明PknB和PppL在调控细菌生理过程中具有重要作用。

PknB的磷酸化底物包括DivIVA、MapZ、MltG和核糖体蛋白等，这些蛋白质在细胞分裂、细胞壁合成和糖代谢等关键过程中发挥作用。Δ*pknB*突变株中，这些底物的磷酸化水平显著下降，而Δ*pppL*突变株中则出现磷酸化水平的升高。这些发现表明，PknB和PppL共同构成了一条磷酸化信号通路，其中PknB负责磷酸化，而PppL负责去磷酸化，两者之间存在复杂的调控关系。

### GpsB的调控作用

GpsB（Guiding PBP1 and shuttling）被认为是一种与PknB相互作用的蛋白，其功能在多个细菌中已被研究。在*Streptococcus mutans*中，GpsB的缺失会导致严重的细胞分裂缺陷，而这种缺陷可以通过PppL的突变（如G98R）得到部分恢复。这种恢复表明，GpsB在维持PknB/PppL信号轴的正常功能中起着关键作用。具体来说，GpsB可能通过调控PknB的活性或其底物的定位，确保关键蛋白如DivIVA的适当磷酸化。

### 重要蛋白质DivIVA的调控

DivIVA是细胞分裂和细胞壁合成过程中的关键蛋白，其功能受到磷酸化状态的调控。在GpsB缺失的情况下，DivIVA的磷酸化水平显著下降，导致细胞分裂功能受损。然而，通过PppL的G98R突变，DivIVA的磷酸化水平得以恢复，从而挽救了GpsB缺失带来的致命影响。这一发现表明，GpsB可能通过与PppL的相互作用，间接调控DivIVA的磷酸化状态，进而影响细胞分裂过程。

### 磷酸化与糖基化之间的交叉调控

研究还发现，PknB可能通过磷酸化调控糖基化系统中的关键蛋白，如PgfM2。PgfM2是糖基化机器的一部分，参与多个关键蛋白的糖基化过程。这一发现提示了磷酸化和糖基化两种翻译后修饰之间可能存在交叉调控。这种调控机制可能在细胞壁重塑和糖基化之间起到协调作用，从而确保细菌在不同环境条件下维持正常的生理功能。

### 实验方法和技术手段

为了全面检测O-磷酸化蛋白，研究人员采用了TMT（同位素标签）-基于的质谱技术，结合IMAC（金属离子亲和色谱）富集磷酸化肽段，并通过反相色谱对复杂样品进行分馏，以提高检测深度。实验过程中，每个样本的蛋白质被消化为肽段，然后通过TMT标签进行标记，最终通过质谱分析获得磷酸化位点的详细信息。此外，为了评估GpsB缺失对细菌生理的影响，研究者还进行了转录组和蛋白质组分析，通过RNA-seq和TMT技术揭示了基因表达和蛋白质丰度的变化。

### 重要结论与未来方向

该研究揭示了*Streptococcus mutans*中O-磷酸化网络的复杂性，以及GpsB和PppL在调控这一网络中的关键作用。PknB和PppL的相互作用不仅影响细胞分裂和细胞壁合成，还可能与其他生理过程如翻译和糖代谢密切相关。此外，研究还发现了一些可能的PknB底物，如RpmF和PgfM2，这些底物在其他细菌中可能具有不同的功能，提示了*Streptococcus mutans*特有的调控机制。

研究进一步表明，GpsB的缺失会导致关键蛋白的磷酸化失调，进而影响细菌的生存能力。然而，这种效应可以通过PppL的特定突变（如G98R）得到部分恢复，说明GpsB和PppL之间存在一种复杂的调控网络。未来的研究可以进一步探索这种调控机制的具体细节，包括磷酸化状态如何影响蛋白质功能，以及如何通过调控这些关键蛋白来干预细菌的生长和致病能力。

### 对抗龋齿的潜在应用

该研究不仅揭示了*Streptococcus mutans*的内部调控机制，还为开发新的抗菌策略提供了理论依据。通过靶向这些关键的磷酸化调控蛋白，如PknB和PppL，可能能够有效抑制该细菌的生长和致病能力。此外，研究还发现了GpsB的抑制突变，这为理解细菌如何通过突变适应环境变化提供了新的视角。

### 总结

这项研究通过系统分析*Streptococcus mutans*的O-磷酸化蛋白质组，揭示了其在细菌生理调控中的重要作用。PknB和PppL作为核心的激酶和磷酸酶，通过调控磷酸化事件影响多种关键蛋白的功能。GpsB的缺失导致严重的细胞分裂缺陷，但通过PppL的特定突变可以部分恢复，说明这些蛋白之间的调控关系复杂且关键。这些发现不仅深化了对*Streptococcus mutans*的生物学理解，也为未来的抗菌研究提供了新的方向。