综述：对研究不足的细菌丝氨酸-苏氨酸假激酶家族的结构和进化机制的见解

《Biochemical Society Transactions》：Structural and evolutionary insights into understudied bacterial serine–threonine pseudokinase families

磷酸化调控蛋白的进化与功能多样性及其在抗感染治疗中的应用前景。

　　细菌伪激酶是近年来在生物医学研究中受到广泛关注的一类蛋白质。过去，它们曾被认为是进化过程中无功能的残留物，但现在研究表明，伪激酶在调控多种基本生物学过程方面发挥着关键作用。尽管真核生物中的伪激酶已有较为深入的研究，但细菌中的伪激酶仍然鲜有实验数据支持其功能研究。随着序列分析和结构建模技术的进步，科学家们已经识别并描述了多个保守的细菌伪激酶家族，这些家族具有不同的催化缺陷，但其具体功能仍不明确。本文旨在对细菌伪激酶的分类、结构特征和进化适应性进行综述，并探讨它们在宿主-微生物相互作用中的重要性，以及它们作为潜在治疗靶点的前景。

蛋白质磷酸化是所有生命领域中最常见的翻译后修饰（PTMs）之一。在真核生物中，氨基酸磷酸化通常由一大类进化上相关的蛋白激酶催化，这些激酶根据它们在蛋白质和肽底物上磷酸化的残基被分为丝氨酸/苏氨酸（S/T）激酶或酪氨酸激酶。磷酸化通过蛋白激酶调控多种细胞过程，并且异常的激酶活性被认为是许多人类疾病的重要驱动因素。在真核生物中，大约10%的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶（STKs）缺少一个或多个被认为是ATP依赖性磷酸化所必需的催化残基：ATP结合β3赖氨酸、HRD-天冬氨酸催化基团以及金属结合DFG-天冬氨酸。尽管在大型激酶超家族中自然存在这种变异，但如果在激酶序列中出现这些残基的突变，尤其是在缺乏实验数据证明其催化活性的情况下，这些蛋白质可以被归类为伪激酶。实验数据表明，伪激酶通常是催化活性不足或缺乏核苷酸结合能力的，但它们并不总是完全无功能。事实上，伪激酶已被发现具有多种非催化性（或非常规催化性）功能，例如通过结构域激活伴侣蛋白、基于开关的信号传导、通过占据伪激酶结构域竞争性抑制，以及调控支架功能。其中一些功能可能具有药物靶向的潜力。

然而，细菌伪激酶的研究仍处于起步阶段。虽然细菌基因组中存在多种生物化学定义的蛋白激酶活性，但传统的细菌信号传导系统通常与组氨酸激酶相关，这些激酶通过组氨酸自磷酸化和天冬氨酸磷酸转移作为细菌“两组分系统”的一部分。尽管如此，一些研究已经发现了细菌中具有特定底物亲和力的蛋白激酶，例如针对酪氨酸、精氨酸和S/T侧链的激酶。这表明，磷酸化依赖的信号传导在细菌中同样复杂且必要。尽管这些激酶都参与ATP依赖性磷酸化，但它们在进化上和结构上彼此不同，显示出不同的功能和调控机制。

细菌伪激酶的研究重点之一是其与真核生物伪激酶的比较。例如，某些细菌伪激酶如EssB（也称为YukC，在芽孢杆菌中）在 Firmicutes 中发现，其伪激酶结构域显示出三个催化模体的退化，以及一个退化的甘氨酸丰富环（通常容纳ATP的腺嘌呤部分）和一个被削弱的激活环（通常在磷酸化后促进ATP和底物结合）。尽管这些催化残基缺失，EssB/YukC 仍然在细菌的类型 VII 分泌系统（T7SSb）中发挥关键的结构和调控作用。这种系统对于分泌促进细菌生存的效应蛋白至关重要，例如LXG毒素或WXG100蛋白，它们能够破坏宿主吞噬体并作为抗菌竞争中的毒素。EssB/YukC 的细胞质伪激酶结构域在效应蛋白的组装和分泌过程中起到非催化作用，主要负责蛋白支架和招募，以及稳定EssB/YukC的同源二聚体结构。这些非催化功能凸显了伪激酶在细菌生理中的基本重要性，表明它们可以作为协调复杂细胞过程的结构枢纽。此外，EssB/YukC 的功能还体现了伪激酶的进化适应性，尽管它们缺乏酶活性，但在调控和结构功能方面仍然至关重要。

另一个例子是SidJ，它是引起人类军团病的病原菌——军团菌（Legionella pneumophila）的一个效应蛋白。SidJ 通过 ATP 依赖的多聚谷氨酰化作用，对 SdeA（属于 SidE 家族的泛素系统破坏效应蛋白）的催化位点进行修饰。这种修饰能够使 SdeA 失活，从而阻止其对宿主 Rab GTP 酶的泛素化作用，抑制宿主免疫反应并调控免疫逃逸，以平衡细菌的生存与宿主细胞的完整性。SidJ 的功能不仅限于其催化特性，还显示出与宿主衍生的钙调素（calmodulin）之间的相互作用。在存在钙调素的情况下，SidJ 可以作为谷氨酰化酶，而在缺乏钙调素时，SidJ 会处于非活性状态。这种功能的多样性表明，细菌伪激酶可能具有独特的催化能力，超越了传统 ATP 依赖的磷酸化反应。

此外，SelO 是一个在真核生物和细菌中广泛存在的伪激酶家族，例如在大肠杆菌和假单胞菌中发现。这些伪激酶通过促进腺苷酸单磷酸（AMP）的合成，参与调控细胞内的氧化还原稳态。与SidJ类似，SelO 也显示出对宿主信号通路的调控能力，但其具体的催化机制尚待进一步研究。这些伪激酶的功能表明，它们可能通过不同的机制影响细菌的生存和适应能力，甚至在某些情况下作为效应蛋白直接作用于宿主细胞。

近年来，随着大规模进化分析的推进，科学家们已经将超过30万个细菌丝氨酸-苏氨酸激酶（bSTK）序列分类为42个保守的伪激酶家族。这些家族在进化和结构上各具特点，例如ActPs1、ActPs2、ActPs3、GLW 和 CP1。其中，ActPs1 伪激酶家族主要存在于放线菌中，其结构域显示出对催化残基的显著退化，同时缺少一些典型的结构元素，如G-螺旋。尽管这些结构缺陷可能导致其无法结合ATP，但某些 ActPs1 伪激酶仍可能通过其他机制参与信号传导。例如，它们可能通过与宿主或环境因子的相互作用，调控特定的生物学过程。

ActPs3 伪激酶家族则显示出更复杂的结构特征。它们不仅缺乏典型的催化残基，还包含一些独特的结构域，如膜定位结构域。例如，在结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）中发现的 MviN 伪激酶结构域，虽然无法结合ATP和镁离子，但可能通过其C端尾部被PknB激酶磷酸化，从而促进抑制性蛋白的招募，进而调控细胞壁代谢。这一发现表明，即使在缺乏典型催化能力的情况下，伪激酶仍可能通过非催化机制影响细菌的生理功能。

除了 ActPs1、ActPs2、ActPs3 等伪激酶家族，还有 GLW 和 CP1 等具有不同催化残基退化的伪激酶家族。例如，GLW 伪激酶在某些细菌中被发现，其名称来源于一个独特的 GLW 模体，该模体替代了典型的 HRD 模体。此外，这些伪激酶在结构上显示出不同的 ATP 结合机制，例如通过形成疏水口袋和氢键相互作用来稳定 ATP 的结合。这种结构上的适应性表明，伪激酶可能通过不同的方式实现其功能，而不仅仅是依赖于传统的催化机制。

在 DLHK 伪激酶家族中，尽管它们缺乏典型的 β3 赖氨酸和 αC 螺旋谷氨酸，但某些 DLHK 伪激酶仍可能通过其他结构元素结合 ATP。例如，AlphaFold3 模型预测 DLHK 伪激酶能够结合 ATP，并且其活性位点显示出高度的正电荷分布，这可能是由于多个精氨酸侧链的参与。这种机制与某些真核生物伪激酶（如 ULK4）类似，它们通过非金属依赖的方式结合 ATP。因此，尽管 DLHK 伪激酶缺乏典型的催化残基，但它们可能通过替代的结构机制实现功能。

细菌伪激酶的多样性不仅体现在其结构和催化特性上，还体现在其功能的广泛性。例如，某些伪激酶可能直接作为效应蛋白，参与细菌的感染和生存过程。这种功能的多样性使得伪激酶成为研究细菌信号传导机制的重要对象。然而，目前对于细菌伪激酶的功能研究仍较为有限，尤其是在功能验证和结构分析方面。

此外，细菌伪激酶在抗菌药物开发中也展现出巨大的潜力。由于伪激酶通常缺乏典型的催化活性，它们可能成为开发新型抗生素的靶点。例如，伪激酶可能通过调控细菌的毒力因子或抗生素耐受性机制，影响其感染能力。一些研究表明，伪激酶可能通过与宿主蛋白的相互作用，调控宿主细胞的免疫反应，从而促进细菌的生存。因此，深入研究细菌伪激酶的功能，不仅有助于理解其在细菌生命过程中的作用，还可能为开发新的抗菌策略提供理论依据。

随着生物信息学和机器学习技术的进步，伪激酶的识别和功能分析正在变得更加高效。例如，AlphaFold3 等结构预测工具能够帮助科学家快速识别伪激酶的结构特征，从而预测其可能的功能。此外，大规模基因组和蛋白质组数据的积累，使得伪激酶的分类和功能研究成为可能。这些技术的进步将有助于科学家更全面地理解伪激酶的多样性，并揭示它们在细菌信号传导网络中的作用。

尽管细菌伪激酶的研究仍处于早期阶段，但它们在细菌生理和病理过程中的重要性已经得到初步确认。例如，某些伪激酶可能通过调控细菌的分泌系统或细胞壁合成，影响其感染能力和生存策略。因此，未来的研究需要更加系统地探索这些伪激酶的具体功能，包括它们在细菌信号传导、代谢调控和免疫逃逸中的作用。这不仅有助于揭示细菌信号传导的复杂性，还可能为开发针对伪激酶的新型抗菌药物提供新的思路。

总之，细菌伪激酶的研究正逐步展开，显示出其在细菌生理和病理过程中的重要作用。随着技术的进步，科学家们能够更有效地识别和分析这些伪激酶，揭示其结构和功能的多样性。未来的研究不仅需要关注伪激酶的具体功能，还应探索它们在抗菌药物开发中的应用潜力。通过结合生物信息学和实验方法，科学家有望进一步理解细菌伪激酶的生物学角色，并为应对抗菌药物耐受性和感染性疾病提供新的解决方案。