酸性pH通过非经典磷酸化机制调控EnvZ-OmpR双组分系统构象变化促进毒力基因表达的结构基础研究

本研究通过氢氘交换质谱(HDXMS)技术，揭示了EnvZ-OmpR双组分系统(TCS)在酸性pH环境下通过非磷酸化依赖的构象变化调控毒力基因表达的分子机制，发现酸性pH稳定EnvZ四螺旋束结构域并改变OmpR芳香开关构象，为理解病原菌适应宿主酸性环境提供了新视角。

　　

在细菌与宿主的博弈中，酸性环境是宿主抵御病原菌入侵的重要防线。然而，沙门氏菌等病原体却能巧妙适应巨噬细胞吞噬小体(pH~5.6)的酸性环境，这背后隐藏着怎样的分子奥秘？传统认知认为，双组分信号系统(TCS)主要依赖组氨酸激酶(HK)与反应调节蛋白(RR)间的磷酸化级联反应传递信号。但令人困惑的是，EnvZ-OmpR系统在酸性条件下竟能绕过经典磷酸化途径直接激活毒力基因表达，这种"非主流"的信号传递机制长期困扰着微生物学家。

为破解这一谜题，研究人员聚焦于沙门氏菌中关键的EnvZ-OmpR信号系统。通过先进的氢氘交换质谱(HDXMS)技术，团队首次捕捉到酸性pH诱导的蛋白质构象动态变化。研究发现，当pH从7.5降至6.5时，EnvZ的胞质结构域(EnvZc)四螺旋束亚结构域表现出显著的氘交换率降低，特别是在包含保守His²⁴³的区域。这种"酸稳定"效应与经典渗透压感应引发的磷酸化依赖调控发生在相同变构位点，却导向不同的基因表达谱。更引人注目的是，OmpR的芳香开关区域（含关键Tyr¹⁰²）在酸性条件下构象灵活性增加，这种变化在EnvZc结合状态下尤为显著。这些发现揭示了病原菌通过"分子变形术"适应宿主环境的精巧策略，为开发新型抗感染药物提供了潜在靶点。

【关键技术方法】

研究采用氢氘交换质谱(HDXMS)分析EnvZc和OmpR在不同pH条件下的构象动力学；通过比较pH 7.5与6.5条件下的氘交换差异定位关键功能域；使用HEPES缓冲体系控制渗透压变量；分析包含四螺旋束、芳香开关等关键功能域的肽段交换动力学。

【研究结果】

1. 酸性pH依赖的螺旋稳定改变EnvZc构象集合

   HDXMS显示仅在pH 6.5时，EnvZc四螺旋束亚结构域（包含His²⁴³的自磷酸化位点）表现出显著氘交换降低，提示酸性pH通过稳定螺旋间氢键网络改变构象平衡。

2. OmpR芳香开关的pH依赖性构象变化

   OmpR的101-113肽段（含芳香开关关键残基Tyr¹⁰²）在pH 6.5时氘交换增加，表明酸性环境增强该区域的构象灵活性。这种变化模式与磷酸化诱导的构象变化截然不同。

3. EnvZc结合状态下OmpR DNA结合域的特异性变化

   仅在EnvZc结合状态下，OmpR的DNA结合域（140-147肽段）在酸性pH表现出显著氘交换增加，提示EnvZ-OmpR相互作用可能通过变构效应调节DNA结合特性。

【研究结论】

该研究首次阐明EnvZ-OmpR系统通过非经典磷酸化机制感应酸性pH的结构基础：酸性环境稳定EnvZc四螺旋束构象，同时诱导OmpR芳香开关和DNA结合域的构象重排，形成独特的信号转导路径。这种"分子变形术"使病原菌能根据环境pH切换不同调控模式——在渗透压刺激时通过His-Asp磷酸化级联调控孔蛋白基因表达，而在酸性环境中则通过构象变化直接激活毒力基因（如SPI-2效应蛋白）。研究不仅填补了细菌酸性应激响应机制的知识空白，其发现的构象动态变化热点区域（His²⁴³周边、芳香开关等）为设计干扰病原菌环境感知的小分子抑制剂提供了精确靶标。论文发表在《Journal of Molecular Biology》，由Victoria Brady、Linda Kenney和Ganesh S. Anand等学者共同完成。