金黄色葡萄球菌I型信号肽酶SpsA与SpsB的动态特性及其在抗生素靶向治疗中的意义

本研究针对金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)两种I型信号肽酶SpsA与SpsB的结构动态差异开展分子动力学模拟分析，重点解析了SpsB的P29S突变体对抗生素敏感性的分子机制。研究人员通过比较三种蛋白（SpsA、SpsB野生型及P29S突变体）的构象波动、活性位点完整性及膜相互作用特征，发现SpsB的机械耦合运动可被P29S突变解除，且SpsA表现出独特的刚性特征。该研究为开发靶向信号肽酶的新型抗感染药物提供了理论依据，论文发表于《Biophysical Journal》。

　　

金黄色葡萄球菌作为临床重要致病菌，其分泌的毒力因子需经I型信号肽酶切割信号肽才能成熟。虽然SpsB是公认的必需信号肽酶，但同源的SpsA长期被视为无活性的"假基因产物"——直到近年发现其参与细菌逃逸吞噬体的过程，这一认知才被打破。更棘手的是，天然抗生素arylomycin对金黄色葡萄球菌效果有限，而P29S突变竟能恢复敏感性。这些矛盾现象背后，隐藏着怎样的分子机制？

美国南佛罗里达大学分子医学系Jesper J. Madsen与分子生物科学系Wenqi Yu团队通过分子动力学模拟，首次系统比较了SpsA、SpsB野生型及P29S突变体的动态特性。研究发现：1）SpsA呈现刚性构象且活性位点持续处于"失活"状态，印证其缺乏蛋白酶活性但可能保留结合功能；2）SpsB野生型特有的机械耦合运动（跨膜区倾斜与胞外域弯曲的协同变化）可被P29S突变解除，这解释了突变体对抗生素敏感性的改变；3）两种酶通过50s环和C端环的疏水残基（如SpsA的IIF和LYFWV基序）与膜发生特异性相互作用。该成果为理解细菌信号肽酶的功能分化提供了动态结构基础，并为设计靶向膜结合酶的新型抗生素指明方向。

关键技术方法包括：1）基于晶体结构（PDB 4WVG）和AlphaFold2预测构建全原子模型；2）采用60:35:5比例的PG/lysyl-PG/心磷脂膜模拟金黄色葡萄球菌膜环境；3）CHARMM36m力场进行3×1μs的分子动力学模拟；4）通过主成分分析、动态相关性和膜插入深度量化构象差异。

主要结果

结构动态特征：通过叠加跨膜区（TMD）和胞外域（ECD）发现，三者在整体构象上相似，但SpsA的H1-loop（102-118位）明显缩短。动态交叉相关分析显示，SpsA的90、132、155环具有更强的局部相关性，而SpsB野生型这些区域与其他结构域存在耦合运动。

活性位点构象：测量催化二联体（SpsB的Ser³⁶-Lys⁷⁷，SpsA对应Asp³⁵-Ser⁷⁵）的γ原子距离发现，SpsA主要处于7-8?的"失活"状态，而SpsB多在5-6?的"活性"状态波动，偶尔进入4?的"压缩"状态。这种差异与SpsA缺乏催化活性的实验观察一致。

膜相互作用机制：除TMD外，50s环（如SpsA的IIF基序）和C端环（如SpsB的FFFFH基序）通过疏水残基插入膜中。静电分析显示SpsB比SpsA具有更多带电残基与脂质头基相互作用，这可能影响其在复杂膜环境中的定位。

P29S突变效应：位于TMD-ECD连接处的Pro²⁹突变为Ser后，不仅改变局部构象，更关键的是破坏了SpsB野生型特有的TMD倾斜-ECD弯曲的机械耦合（相关系数从-0.57降至-0.26）。这种长程效应可能是arylomycin敏感性增加的结构基础。

结论与意义

该研究首次在原子尺度揭示了金黄色葡萄球菌两种信号肽酶的动态差异：SpsB通过独特的机械耦合实现构象可塑性，而SpsA则呈现功能相关的刚性特征；P29S突变通过破坏这种耦合而非直接改变活性位点来增强抗生素敏感性。这些发现不仅解释了SpsA在细菌逃逸吞噬体中的非催化功能，更重要的是为靶向信号肽酶的抗生素设计提供了新思路——例如开发能稳定SpsB"失活"构象的小分子，或针对50s环与膜相互作用的抑制剂。由于信号肽酶在细菌分泌系统中的核心地位，这类药物有望成为对抗耐药菌株的新型武器。