大肠杆菌多聚磷酸结合蛋白的鉴定揭示其在翻译调控和核糖体生物合成中的关键作用

这篇研究通过系统性筛选鉴定出7种新型多聚磷酸(polyP)结合蛋白，揭示了polyP在细菌应激响应中通过调控核糖体生物合成和翻译机制发挥关键作用。研究聚焦YihI和Rnr（RNase R）蛋白，发现其非PASK基序的polyP结合区域，并阐明ppk缺失导致Rnr表达下调的翻译调控机制，为细菌应激适应和抗生素耐药性研究提供了新视角。

　　

多聚磷酸结合蛋白的鉴定与功能解析

细菌中polyP的生物学意义
多聚磷酸(polyP)是由无机磷酸通过高能磷酸酐键连接形成的线性聚合物，在细菌应激响应中扮演核心角色。研究表明，无法合成polyP的细菌在生存、感染和抗生素耐药性方面存在缺陷。尽管polyP在真核细胞中的效应蛋白（如含PASK基序的蛋白）已被广泛研究，但细菌中polyP结合蛋白的认知仍存在空白。

PASK基序在细菌中的稀缺性
通过PASKMotifFinder软件分析发现，与酵母（7.3%蛋白含PASK）相比，大肠杆菌中仅0.05%蛋白（ZipA和YihI）具有PASK基序（定义为20个氨基酸窗口内含≥75% D/E/S/K且至少1个赖氨酸）。有趣的是，YihI虽含C端PASK基序，但其polyP结合主要依赖N端富含赖氨酸的"PASK样"区域。突变实验显示，酸性氨基酸的负电荷并非结合必需，但赖氨酸对polyP结合至关重要。

系统性筛选发现新型polyP效应蛋白
利用781个SPA标签和243个TAP标签的大肠杆菌菌株库，研究者筛选出7种polyP结合蛋白（占筛查蛋白的1.2%），包括：

• YihI（Der GTP酶激活蛋白）
• Rnr（RNase R，3'-5'外切核糖核酸酶）
• SrmB（DEAD-box RNA解旋酶）
• InfB（翻译起始因子IF2）
• SmpB（tmRNA伴侣蛋白）
• Rne（RNA酶E）
• Era（核糖体结合GTP酶）
  这些蛋白均与核糖体生物合成或翻译调控相关，暗示polyP在翻译调控中的进化保守作用。

Rnr与polyP的复杂调控关系
RNase R（Rnr）作为典型代表，其C端S1+碱性结构域（含27个赖氨酸）被鉴定为polyP结合区域。研究发现：

1. 遗传互作：Δrnr可部分挽救Δppk突变体在MOPS培养基中的生长缺陷，但该效应独立于polyP结合能力。
2. 表达调控：ppk缺失导致Rnr蛋白水平下降，而转录水平不变。氯霉素追踪实验表明，PPK通过翻译而非转录或蛋白稳定性调控Rnr表达。
3. 结构基础：S1+碱性结构域具有内在无序性，其缺失（非单碱性域缺失）可模拟Δrnr的挽救效应，提示该区域可能通过相分离或底物定位参与应激响应。

polyP的潜在作用机制
研究提出多层级调控模型：

• 直接作用：polyP可能通过结合无序区域调节Rnr的酶活或底物选择性，例如影响其与tmRNA-SmpB复合物的相互作用。
• 间接作用：PPK可能通过维持ATP池或调控翻译全局效率间接影响Rnr表达。值得注意的是，长链polyP在体内可能形成抗降解的凝聚体，这或许解释了为何仅部分polyP结合蛋白在营养胁迫下显示迁移偏移。

研究启示与未来方向
该工作不仅扩展了对细菌polyP效应蛋白的认知，还揭示了polyP-核糖体通路在应激适应中的核心地位。特别值得关注的是：

• 7种polyP结合蛋白在病原菌中高度保守，可能成为抗感染新靶点
• polyP与翻译机器的广泛互作暗示其在压力响应中的"分子伴侣"功能
• 需进一步探究polyP相分离特性如何影响其与效应蛋白的动态结合

这些发现为理解细菌应激适应机制提供了新框架，并为针对PPK/polyP通路的抗菌策略开发奠定基础。