细菌周质力传导蛋白TolA与TonB的起源与进化：结构预测揭示跨膜能量传递系统的演化路径

本研究针对细菌外膜(OM)与内膜(IM)能量耦合机制这一关键科学问题，通过结构预测方法系统分析了Tol-Pal和Ton系统的进化轨迹。研究人员发现TolA可能起源于TonB的复制和功能分化，揭示了TolB可能来源于外膜蛋白(OMP)的β-桶结构域丢失，并鉴定出新型vWA力传导蛋白家族。该研究为理解细菌细胞包膜稳定机制提供了重要进化视角，对开发新型抗菌策略具有指导意义。

　　

细菌细胞包膜是抵御外界环境的重要屏障，其中革兰氏阴性菌特有的双层膜结构尤为复杂。外膜(OM)作为关键防御结构，其本身缺乏能量供应，必须依赖内膜(IM)的质子动力势(PMF)来驱动营养摄取、药物外排等重要生理过程。这一能量传递功能主要由Tol-Pal和Ton两大系统完成，它们虽然功能迥异——Ton系统负责营养物质转运，Tol-Pal系统维持外膜稳定性——却具有相似的三域结构和力传导机制。然而，这两个系统的进化关系长期存在争议，特别是TolA与TonB这两个核心力传导蛋白的结构多样性及其功能分化机制尚不明确。

牛津大学的研究团队通过整合PubMLST基因组数据库、AlphaFold结构预测和FoldSeek结构比对等前沿技术，系统追溯了细菌力传导系统的进化历程。研究首先建立了包含113个物种的TolA蛋白数据库，通过PsiPred和PPIIPRED进行二级结构预测；利用FoldTree分析TolB相关蛋白的结构系统发育；结合基因组共线性分析鉴定新型vWA力传导蛋白家族；最后通过比较基因组学方法绘制了Tol和Ton系统的物种分布图谱。相关成果发表在《Molecular Biology and Evolution》上。

研究首先揭示了Tol-Pal操纵子在变形菌门中的高度保守性，但发现γ-变形菌中典型的α-螺旋主导的TolAII结构在其他类群中实属例外。通过比较分析发现，非变形菌的TolAII长度(中位数113aa)和脯氨酸含量更接近变形菌TonBII而非变形菌TolAII，暗示祖先TolA可能具有TonB样的多脯氨酸结构。研究意外发现了一类新型单体力传导蛋白家族，这些含有vWF-A结构域的蛋白通过保守的Ser-X-His-X-Leu-X-Ser(SHLS)基序与马达蛋白偶联，可能代表了一种全新的PMF驱动系统。

结构系统发育分析表明，TolB可能起源于一类具有周质β-螺旋桨结构的外膜蛋白(OMP)，通过β-桶结构域的丢失而进化形成。在拟杆菌门中，研究者鉴定出PorE这一特殊蛋白，它融合了CpoB、TolB和Pal三个结构域，可能是该门中替代Tol-Pal系统的OM-PG锚定系统。比较基因组学分析显示Ton系统在绝大多数细菌门中广泛存在，而Tol-Pal系统仅分布于 Gracilicutes，强烈支持Ton系统更早出现于最后细菌共同祖先(LBCA)的假说。

研究结论指出，TolA可能通过TonB的基因复制和新功能化产生，这一进化事件与Pal的出现密切相关。祖先TolA可能具有类似TonB的多脯氨酸结构域，而γ-变形菌中α-螺旋主导的TolAII结构可能是适应快速分裂需求的二次进化。TolB可能来源于一类具有周质β-螺旋桨的OMP，而CpoB在祖先Tol-Pal系统中可能是外膜脂蛋白。这些发现不仅阐明了细菌能量传递系统的进化路径，也为针对Tol-Pal系统开发新型抗菌药物提供了理论依据。特别值得注意的是，研究揭示的力传导蛋白结构可塑性表明，α-螺旋与PPII-螺旋的功能互换可能是一种普遍的进化策略，这为设计人工力传导系统提供了重要启示。