基于计算生物学技术的霍乱弧菌二鸟苷酸环化酶基因组与结构特性研究及其抗生物膜药物靶点潜力

本研究针对霍乱弧菌(Vibrio cholerae)生物膜形成关键调控因子——二鸟苷酸环化酶(DGCs)，采用计算生物学方法系统分析了CdgA、CdgH等6种DGCs的基因组特征与结构特性。研究发现这些跨膜蛋白具有独特的密码子偏好性、酸性亲水特性和保守GGDEF功能域，其中VpvC与GTP结合亲和力最高(-5.6 kcal/mol)。该研究为开发靶向c-di-GMP信号通路的抗生物膜药物提供了重要理论依据，对控制霍乱传播具有重要临床意义。

　　

霍乱作为全球重大公共卫生威胁，其病原体霍乱弧菌通过形成生物膜增强环境适应性和致病力。在生物膜信号传导中，3′-5′环二鸟苷单磷酸(c-di-GMP)作为关键第二信使，其细胞内水平直接影响细菌从游动到固着生活方式的转换。二鸟苷酸环化酶(DGCs)是催化GTP合成c-di-GMP的关键酶类，但由于其跨膜特性，传统结构解析方法面临巨大挑战。针对这一科学难题，来自印度大学的研究团队在《Current Research in Structural Biology》发表创新研究，首次通过计算生物学手段系统揭示了6种霍乱弧菌DGCs的基因组与结构特征。

研究采用多学科交叉方法：通过CAIcal服务器分析密码子使用偏好性，DeepTMHMM预测跨膜结构域，AlphaFold与trRosetta预测三维结构，结合CB-DOCK2进行分子对接，并运用iMODS进行分子动力学模拟。这些先进技术的整合应用，为膜蛋白研究提供了高效可靠的计算框架。

基因组分析显示，所有DGCs均表现出AU结尾密码子偏好性，CAI值在0.707-0.783之间，表明其高表达潜力。ENc图分析揭示自然选择在密码子使用模式形成中起主导作用（贡献率74.27%）。结构研究发现这些DGCs均为酸性亲水性跨膜蛋白，含有2个跨膜结构域，其中α-螺旋占比最高（44.58%-58.84%）。特别值得注意的是，所有DGCs均含有保守的GGDEF功能域，该域中的天冬氨酸(Asp)或谷氨酸(Glu)残基被确认为催化活性关键位点。

分子对接结果显示，VpvC与GTP的结合亲和力最强（-5.6 kcal/mol），其次是CdgL（-5.5 kcal/mol）。深入分析发现，GGDEF域中的天冬酰胺(Asn)残基通过与GTP鸟嘌呤环形成氢键，在底物识别中起关键作用。分子动力学模拟证实所有DGC-GTP复合物均具有稳定性，其中CdgL和VpvC复合物的特征值最低（0.441×10⁶和0.470×10⁶），表明其结构最为稳定。

这项研究首次全面解析了霍乱弧菌关键DGCs的基因组与结构特征，不仅为理解细菌生物膜调控机制提供了新视角，更重要的是为开发靶向c-di-GMP信号通路的特异性抑制剂奠定了理论基础。研究者特别指出，针对VpvC和CdgL的高效抑制剂设计可能成为抗霍乱治疗的新策略。由于DGCs为细菌特有且结构保守，这类靶向药物有望在抑制生物膜形成的同时避免交叉耐药性，为应对霍乱这一"再发传染病"提供了创新解决方案。

该研究的创新价值还体现在方法学层面：建立了一套适用于跨膜蛋白研究的计算生物学流程，解决了传统结构生物学方法在膜蛋白研究中的技术瓶颈。未来研究可在此基础上，进一步探索这些DGCs在不同环境条件下的构象变化，并通过实验验证计算预测的关键活性位点，加速抗生物膜药物的理性设计进程。