揭示嗜麦芽窄食单胞菌毒力因子StmPr1的结构、功能与动态特性及其抑制剂开发

为解决多重耐药革阴性菌感染难题，德国汉堡大学团队聚焦嗜麦芽窄食单胞菌(S. maltophilia)关键毒力因子StmPr1，通过X射线晶体学(分辨率1.64-2.08 ?)、分子动力学模拟和SAXS实验，首次解析其自切割特性及C端延伸区(PPC)的分子伴侣功能，发现硼替佐米(Bortezomib)可有效抑制该蛋白酶(IC50 1.97 μM)，为抗感染药物研发提供新靶点。

　　

在全球抗生素耐药危机加剧的背景下，嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)已成为医院获得性感染的"头号公敌"。这种革兰氏阴性杆菌不仅对碳青霉烯类等广谱抗生素天然耐药，更在COVID-19疫情期间"趁火打劫"，成为重症患者呼吸道合并感染的主要病原体，相关死亡率高达70%。其"杀手锏"——分泌型丝氨酸蛋白酶StmPr1，能破坏肺上皮细胞外基质，但此前对其分子机制的认识仍如"雾里看花"。

德国汉堡大学Christian Betzel团队联合多国科学家，在《Scientific Reports》发表突破性研究。团队运用X射线晶体学获得1.64-2.08 ?高分辨率结构，结合分子动力学(MD)模拟和小角X射线散射(SAXS)，首次捕捉到StmPr1的"变形记"：47 kDa前体通过自切割变为36 kDa活性形式，其独特的β3/α4"盖子"结构和β5/α6环形成动态屏障，既能"诱捕"底物又能"屏蔽"抑制剂。更惊人的是，C端细菌前肽酶结构域(PPC)如同"分子安全带"，确保蛋白酶正确折叠——缺失该区域的突变体完全丧失活性。

关键技术
研究采用大肠杆菌BL21(DE3)表达系统制备StmPr1，通过离子交换和分子筛层析纯化。晶体数据在DESY同步辐射中心收集，用Phaser-MR解析相位。MD模拟采用OPLS4力场在310.15 K下运行100 ns。SAXS实验使用2-5 mg/mL蛋白浓度，ATSAS软件分析构象变化。酶活测定以N-琥珀酰-Ala-Ala-Pro-Phe-对硝基苯胺为底物，圆二色谱(CD)分析热稳定性。

结构解析
"StmPr1 36 kDa结构分析"显示：该蛋白酶具有典型的枯草杆菌蛋白酶(Subtilase)α/β折叠，但独有β6/β8片层和α7螺旋。钙离子通过Asp5/Asp51等残基以五角双锥构型结合，二硫键Cys93-Cys141和Cys183-Cys220如同"分子铆钉"稳定结构。与常温蛋白酶不同，其表面富含Glu/Asp，适应碱性环境(pH 9)。

动态特性
"分子动力学模拟"揭示：β3/α4"盖子"可摆动35°，与β5/α6环协同改变底物结合裂隙尺寸。关键残基Tyr94/Ser180间距变化4.8 ?，形成"捕鼠器"机制——高温时锁定底物，低温时引导底物进入活性中心。这种动态适应解释了为何StmPr1能在5-60°C保持活性。

抑制剂筛选
"抑制剂研究"对比苯甲基磺酰氟(PMSF)、亮抑酶肽(Leupeptin)、糜抑素(Chymostatin)和抗癌药硼替佐米。硼替佐米的硼酸基共价结合催化Ser289，苯丙氨酸占据P2位，IC₅₀较PMSF降低60倍(1.97 vs 125.43 μM)。糜抑素虽效价更高(IC₅₀ 0.04 μM)，但硼替佐米作为已上市药物更具临床转化价值。

进化地位
"StmPr1家族定位"通过DALI服务器比对发现：与Thermitase(47%相似性)相比，StmPr1的PPC延伸更类似前蛋白转化酶(Furin)。AlphaFold预测的47 kDa结构显示，PPC含8个反平行β片层，SAXS证实其在溶液中可摆动110°，这种灵活性可能协助胶原降解——解释了该菌引发肺泡上皮细胞脱落(anoikis)的机制。

临床启示
这项研究如同打开"分子手术灯"，不仅揭示StmPr1的双重防御机制(动态盖子+自切割)，更发现其"阿喀琉斯之踵"——硼替佐米可穿透其保护屏障。团队特别指出，PPC结构域作为"折叠监护仪"的功能，为抗微生物药物设计提供新思路：针对该区域的抑制剂可能让StmPr1"未战先溃"。鉴于硼替佐米已用于多发性骨髓瘤治疗，其抗感染适应症开发或将加速，为对抗"超级细菌"增添新武器。