甲基转移酶NmbA能够对低分子量的硫醇化合物bacillithiol进行甲基化，并具有独特的结构特征

《Redox Biology》：The methyltransferase NmbA methylates the low-molecular weight thiol bacillithiol, and displays a specific structural architecture

红ox平衡调控中低分子量硫醇的甲基化机制及新酶类结构研究。

　　低分子量（LMW）硫醇在细胞中扮演着至关重要的角色，它们不仅维持着细胞的氧化还原平衡，还能保护细胞免受活性物质、重金属、毒素以及抗生素的侵害。尽管这些硫醇在代谢功能上具有相似性，但它们的结构差异显著，广泛存在于自然界中。在细菌中，bacillithiol（BSH）是最主要的LMW硫醇。最近，研究者在绿色硫细菌*Chlorobaculum tepidum*中发现了另一种结构独特的硫醇——N-甲基-bacillithiol（N-Me-BSH），它是由BSH的半胱氨酸氨基上的N-甲基化修饰而来的。这一发现揭示了NmbA，一种可能催化N-Me-BSH最终合成步骤的S-腺苷-L-甲硫氨酸（SAM）依赖性甲基转移酶（MT）。本研究通过生化证据明确了NmbA作为BSH甲基转移酶的功能，并首次报告了NmbA的晶体结构，证实其属于SAM依赖性MT的I类，但具有独特的三维构型，与其他天然产物MTs（NPMTs）有所不同。

BSH在细菌中作为重要的氧化还原缓冲物质，其功能不仅限于细胞内的氧化还原平衡，还涉及对抗氧化应激的反应。在氧化应激条件下，BSH可以通过与蛋白质形成混合二硫键（称为S-bacillithiolation）来保护那些对氧化敏感的蛋白质半胱氨酸残基。这种反应类似于真核生物中的S-谷胱甘肽化。BSH的氧化形式——bacillithiol二硫键（BSSB）在细胞中可能被其他酶重新还原，以维持其功能。然而，关于N-Me-BSH的合成过程及其在细菌中的功能，目前仍缺乏详细研究。

研究者在本研究中发现，N-Me-BSH在*Chlorobaculum tepidum*的静止生长期含量最高，并且与细胞生物量呈强相关。此外，低光照条件下培养的*Chlorobaculum tepidum*菌株中N-Me-BSH的含量是正常条件下的五倍。值得注意的是，N-Me-BSH主要以还原形式存在，这表明其在该菌株中可能作为重要的氧化还原缓冲物质。此外，通过基因敲除实验发现，缺失NmbA的菌株在含有硫化物和硫代硫酸盐作为电子供体的培养基中生长速度比野生型菌株慢20%。这些结果进一步支持了N-Me-BSH在细菌中的生理功能。

NmbA作为SAM依赖性甲基转移酶，其功能不仅限于BSH的甲基化，还可能涉及其他分子的甲基化。然而，通过实验发现，NmbA对BSH的甲基化具有高度选择性，不会对其他底物如甘氨酸或谷胱甘肽（GSH）进行甲基化。这表明NmbA在催化过程中具有特定的底物偏好性。同时，研究者通过质谱分析和酶活性实验确认了NmbA对BSH的甲基化能力，显示其在体外能够高效地将BSH转化为N-Me-BSH。这种转化的效率约为93%，其中单甲基化形式（Me-BSSB）和双甲基化形式（Me-BSSB-Me）占总产物的68%和25%。

为了进一步了解NmbA的结构和催化机制，研究者通过X射线晶体学技术解析了NmbA的三维结构。该结构显示，NmbA具有一个独特的结构特征，即其Cap结构域由四个β折叠构成，形成一个狭窄的分子篮，为BSH的结合和催化提供了特异性。与传统的SAM依赖性MTs相比，NmbA的结构显示出显著的差异，尤其是在Cap结构域的组织方式上。这些差异可能与其对BSH的特异性结合和催化有关。此外，研究者通过结构对接实验验证了NmbA对BSH的结合能力，发现BSH的N原子能够与SAM的硫??基团形成接近的构型，这可能是其催化机制的关键。

研究还发现，NmbA的结构属于七β折叠（7BS）的Rossmann折叠域，这是大多数SAM依赖性MTs的共同特征。然而，NmbA的Cap结构域展现出独特的构型，这可能是其能够特异性识别BSH的重要原因。通过对比NmbA与其他已知MTs的结构，研究者发现其Cap结构域的组织方式与其他天然产物MTs有所不同，这可能表明NmbA属于一个新的MT亚类。这一发现不仅拓展了我们对SAM依赖性MTs的理解，也为开发针对细菌氧化还原缓冲机制的新型抗菌药物提供了潜在的靶点。

从生物信息学的角度来看，NmbA在多种细菌中存在，这些细菌主要属于Bacillota、Bacteroidota和Chlorobiota等门类。研究者通过序列相似性网络（SSN）分析，发现NmbA在这些门类中的分布范围广泛，表明其可能在不同的细菌中具有相似的功能。此外，研究还发现，某些具有N-Me-BSH合成途径的细菌可能属于不同的生态位，例如淡水鱼病原菌*Flavobacterium columnare*，这提示N-Me-BSH可能在不同环境中发挥重要作用。然而，目前尚不清楚N-Me-BSH是否具有特定的去甲基化酶，这为后续研究提供了方向。

本研究不仅提供了关于NmbA的结构和功能的详细信息，还揭示了N-Me-BSH在细菌中的生理意义。N-Me-BSH的甲基化可能增强了其电子供体能力，从而稳定其氨基的质子化形式，提高半胱氨酸硫醇的亲核性和反应性。此外，N-甲基化可能改变了其亲水性，进而影响其与目标蛋白的结合特性。这些特性可能在细菌的氧化还原调控、毒性抵抗以及与其他生物的相互作用中起着重要作用。

为了进一步探索NmbA的催化机制，研究者还进行了结构对接实验，模拟了BSH与NmbA的结合方式。实验结果表明，BSH的N原子能够被SAM的硫??基团有效地接近，从而促进甲基化反应的发生。这支持了NmbA通过“接近与脱溶剂化”机制进行催化，即通过将底物和供体分子放置在合适的位置，从而促进反应的进行。此外，研究者还考虑了其他可能的催化机制，例如酸碱催化，但目前尚无明确证据表明NmbA采用这种方式。

本研究的发现对于理解细菌中的氧化还原缓冲机制具有重要意义。N-Me-BSH的合成和功能可能为开发新的抗菌策略提供理论基础。此外，NmbA的结构特征也可能为生物技术应用提供新的思路，例如在极端环境下的生物催化或生物传感。研究者还提到，N-Me-BSH的生物物理特性与BSH相比可能有所不同，这需要进一步研究来明确。

综上所述，本研究不仅揭示了NmbA作为BSH甲基转移酶的功能，还提供了其结构的详细解析，为理解SAM依赖性MTs的催化机制和进化提供了新的视角。NmbA的发现标志着一种新型的NPMTs的出现，这为未来的抗菌药物开发和生物技术应用提供了重要的理论依据。