枯草芽孢杆菌MurJ与Amj脂质II翻转酶的非必需性及其在细胞壁合成中的替代途径研究

这篇研究通过遗传学实验证明，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）中MurJ（MOP家族）和Amj脂质II（Lipid II）翻转酶的双缺失突变株的致死性并非由于翻转功能缺失，而是由Und-PP（undecaprenyl-pyrophosphate）水平降低所致。研究揭示了非MOP依赖的Lipid II跨膜转运途径存在，并阐明了aPBP（class A penicillin-binding proteins）与翻转酶的协同关系，为细菌细胞壁合成机制提供了新见解。

　　

ABSTRACT
研究长期关注的未癸烯醇焦磷酸（Und-PP）连接肽聚糖前体脂质II（Lipid II）的跨膜转运机制存在争议。传统认为MOP（multidrug/oligosaccharidyl-lipid/polysaccharide）家族蛋白MurJ是主要转运体，但枯草芽孢杆菌中四个MurJ同源基因同时缺失仍可存活。最新发现MurJ与Amj双缺失突变株的致死性可通过过表达Und-PP合成酶（UppS）挽救，表明其致死源于Und-PP耗竭而非翻转功能缺失，证实存在非MOP依赖的Lipid II转运途径。

INTRODUCTION
肽聚糖（PG）作为细菌细胞壁的关键组分，其单体Lipid II在胞质合成后需跨膜转运至外膜聚合。转运机制存在两类候选蛋白：具有翻转酶活性的SEDS（shape, elongation, division and sporulation）家族蛋白（如FtsW）和MOP家族蛋白MurJ。尽管大肠杆菌（E. coli）中MurJ被证实为必需翻转酶，但枯草芽孢杆菌MurJ同源基因的非必需性引发了对进化保守性的质疑。此前报道的MurJ与Amj合成致死现象，因Amj缺乏MurJ同源结构而机制不明。

RESULTS
关键实验显示：

1. 过表达uppS可挽救ΔmurJΔamj双突变株的生长缺陷，且呈现剂量依赖性（图1）。显微观察证实诱导组细胞形态恢复正常，未诱导组出现裂解（黄色箭头）和膨大（红色箭头）等异常。
2. 在孢子形成过程中，spoVB（孢子特异性MurJ同源基因）突变体的缺陷无法被uppS过表达挽救（表1），这与孢子形成严格依赖aPBP的特性一致。
3. 删除所有aPBP基因（ΔponA; ΔpbpDFG）可部分缓解ΔmurJΔamj突变体的形态异常（图2），提示aPBP与MurJ/Amj存在功能关联。

DISCUSSION
研究提出创新性模型：

1. 双突变致死机制：MurJ/Amj缺失导致Und-PP被竞争性途径（如壁酸合成）过度消耗，而非Lipid II翻转功能丧失。这与teichoic酸合成基因突变表型被tagO删除挽救的现象类似。
2. 双途径假说：SEDS蛋白（如FtsW/RodA）与bPBP形成必需复合物负责基础PG合成；MurJ则与aPBP协作参与非必需途径（图3）。该模型解释了为何aPBP非必需条件下MurJ也可非必需。
3. 结构基础：MurJ虽能结合Lipid II，但与aPBP无直接相互作用，其功能替代性表现为Amj（非同源蛋白）可互补大肠杆菌MurJ功能。

研究还探讨了Und-PP代谢平衡的重要性：过量的Und-PP会破坏膜结构，因此细胞通过σ^M等机制严格调控其库容。MurJ/Amj的缺失可能干扰这种平衡，导致用于PG合成的Und-PP不足。

MATERIALS AND METHODS
实验采用枯草芽孢杆菌168 trpC2背景菌株，通过抗生素抗性标记（spec^R/mls^R等）构建突变体。生长曲线在LB培养基中测定，孢子形成效率通过80°C热处理15分钟前后的CFU比值计算。显微观察使用尼康Eclipse 90i显微镜（100×油镜）完成。

该研究不仅解决了MurJ/Amj合成致死性的机制争议，更为细菌细胞壁合成领域提供了范式转换的见解——不同PG合成途径可能采用不同的Lipid II转运系统，这种分工或普遍存在于细菌界。