综述：SLHs-CBM54串联结构及其在细菌多模块糖苷水解酶中的功能作用

《Environmental Toxicology and Pharmacology》：Structure and Functional Role of the SLHs-CBM54 Tandem in Bacterial Multimodular Glycoside Hydrolases

CBM54模块通过增强底物结合提升多糖降解效率，其与SLH模块形成的串联结构介导细菌表面粘附，促进水解酶在底物界面富集。该结构具有底物解离和迁移功能，并扩展至其他微生物蛋白，在合成生物学中可用于蛋白结晶、表面修饰及疫苗开发。

　　CBMs，即碳水化合物结合模块，是许多碳水化合物活性酶（CAZymes）中常见的结构域，它们在提高酶对多糖底物的结合能力方面起着关键作用。CBM54是CBM家族中的一种，通常存在于革兰氏阳性细菌表面展示的多模块糖苷水解酶（MGHs）中。这些模块能够结合不溶性多糖，包括壳聚糖、几丁质、木聚糖、纤维素以及真菌细胞壁β-葡聚糖。在MGHs中，CBM54模块总是位于三个S层同源模块（SLHs）之后，这些SLHs负责将酶锚定在细菌细胞表面。SLHs与CBM54的串联结构不仅增强了细菌对底物的附着能力，还集中了水解酶在界面，从而促进了可溶性降解产物的高效吸收。此外，CBM54模块中存在一个切割位点，将它分为两个结构上不同的部分，这两个部分通过氢键保持连接。CBM54的加工过程有助于细菌从底物上脱离，并迁移到新的营养源。这一特性使得SLHs-CBM54串联在细菌的表面展示系统中具有独特的功能。

多糖作为自然界中最大的有机碳来源，广泛存在于各种生物系统中，如植物细胞壁、真菌细胞壁以及动物组织。为了有效分解这些复杂的多糖结构，许多CAZymes依赖于CBMs的帮助，以提高它们的催化效率。由于多糖分子较大，难以直接扩散到酶的活性位点，CBMs通过优化酶与底物的相对位置，提高酶在底物附近的局部浓度，从而增强其催化能力。此外，多模块CBM含有酶在多种生物学过程中发挥重要作用，包括多糖的降解、合成、宿主与病原体的相互作用，以及植物细胞壁的形成。其中，CBM54与SLHs的串联结构尤为引人注目，因为它们不仅能够将酶锚定在细菌表面，还能促进酶对多糖底物的结合。这种结构在某些细菌中已被研究，例如从*Paenibacillus* sp. FPU-7中分离出的几丁质酶ChiW，它能够在培养基中结合几丁质或几丁寡糖，并对结晶和非结晶几丁质表现出高效的催化活性。ChiW的三维结构在2.1 ?的分辨率下被确定，但其结构缺少N端的SLH模块，这表明SLH模块可能在酶的表面展示过程中起到关键作用。

CBM54模块的加工过程对于细菌的生存和迁移至关重要。在重组或天然ChiW的纯化过程中，酶会被切割成稳定的120 kDa和30 kDa片段。切割位点位于CBM54的SB2面，具体在Asn282和Ser283之间。虽然尚无确凿证据表明这种自加工过程发生在活细胞表面，但晶体学结果表明，切割后的链仍然保持ChiW β-螺旋折叠的结构完整性，这可能通过链间的氢键相互作用实现。这种加工机制可能有助于细菌在降解底物后，迅速从原位置迁移，寻找新的营养源，从而提高其生存能力。

SLH模块在S层蛋白和S层相关蛋白中通常通过与乙酰化的次级细胞壁多糖（SCWP）结合来锚定到细菌细胞表面。SCWP是革兰氏阳性细菌细胞壁的一部分，与肽聚糖层共价结合。这种锚定机制被认为是S层蛋白与细菌细胞表面结合的最古老方式之一。SLH模块通过与SCWP的相互作用，不仅能够稳定地固定在细胞表面，还能促进S层蛋白的自组装。S层蛋白通常形成周期性结构，覆盖在细菌表面，提供物理屏障和化学信号。SLH模块的结构特点使其能够与SCWP形成稳定的结合，从而在细菌表面构建有序的结构。这种自组装能力使得SLH模块在生物技术应用中具有巨大潜力，例如作为蛋白质结晶的核化剂，利用其周期性结构促进蛋白质的有序排列和晶体生长。

从生物信息学和结构建模的角度来看，SLHs-CBM54串联结构的组成和功能可以被预测。这种结构不仅能够帮助酶锚定在细菌表面，还能促进其对多糖底物的结合。通过分析SLH模块的系统发育，可以发现它们在不同MGHs中被分为七个不同的组别（A-G）。其中，组B、C、D、F和G主要与特定的GH家族成员相关，但也有例外情况。例如，组B与*Paenibacillus*中的GH43家族成员以及* Cohnella*中的一个GH16成员相关联，而组F则包括*Acetivibrio*中的两个GH16成员和*Paenibacillus*、*Cohnella*中的GH26成员。这种系统发育分析表明，SLH模块在不同细菌中可能具有不同的功能和结合特性，但它们的核心结构和作用机制保持一致。

在生物医学和生物技术领域，SLHs-CBM54串联结构展现出广阔的应用前景。首先，SLH模块的自组装能力使其成为蛋白质结晶的理想核化剂。蛋白质结晶是生物技术中的一个关键步骤，但目前仍然面临诸多挑战，包括核化过程的不稳定性、晶体生长的效率低下以及晶体质量的控制等问题。SLH模块能够形成周期性结构，为蛋白质提供有序的排列环境，从而提高结晶的成功率。此外，SLHs-CBM54串联结构还可能用于表面修饰技术，通过融合功能性模块，实现对细菌表面的定向改造。例如，在疫苗开发中，SLHs-CBM54可以作为抗原展示平台，将特定的抗原分子固定在细菌表面，从而增强免疫反应。在药物输送系统中，这种结构可以用于构建靶向输送载体，提高药物在特定部位的释放效率。此外，在多糖降解过程中，SLHs-CBM54结构可以用于提高酶的催化效率，促进多糖的高效分解，为生物燃料、生物材料等领域的应用提供支持。

为了进一步探索SLHs-CBM54结构的潜力，需要更深入地研究其在细菌表面的组装机制以及其与多糖底物的相互作用方式。目前的研究表明，SLHs-CBM54结构可能通过类似于* Bacillus anthracis*中的SLH模块（PDB 3PYW）的机制进行自组装。这种自组装能力不仅有助于构建稳定的表面结构，还可能影响酶的催化效率和底物的结合能力。因此，研究SLHs-CBM54结构的分子机制，将有助于揭示其在细菌表面展示中的作用，并为相关生物技术的应用提供理论依据。

此外，CBM54模块的功能不仅限于多糖的结合，还可能涉及细菌与其他生物之间的相互作用。例如，在宿主-病原体相互作用中，CBM54可能帮助细菌识别和结合宿主细胞表面的特定分子，从而促进其入侵和感染过程。这种特性使得CBM54在研究细菌致病机制和开发新型抗菌策略方面具有重要意义。同样，SLH模块的结构和功能也可能影响细菌与环境的相互作用，例如在生物膜形成过程中，SLHs-CBM54结构可能促进细菌之间的粘附和聚集，从而增强其在特定环境中的生存能力。

综上所述，SLHs-CBM54结构在细菌表面展示系统中扮演着重要角色。它不仅能够将酶锚定在细菌表面，还能促进酶对多糖底物的结合，从而提高其催化效率。这种结构的多功能性使其在生物医学、生物技术和环境工程等多个领域具有广泛应用前景。未来的研究应进一步揭示SLHs-CBM54结构的分子机制，探索其在不同生物系统中的功能，并开发基于该结构的新型生物技术应用。通过深入理解这一结构的特性，科学家们可以更好地利用其潜力，推动相关领域的技术进步。