抑制脂多糖的生物合成：了解得越多，进展就越快

《Annual Review of Biochemistry》：Inhibiting Lipopolysaccharide Biogenesis: The More You Know the Further You Go

脂多糖（LPS）转运是革兰氏阴性菌外膜生物合成的关键机制，涉及Lpt蛋白桥的跨膜运输系统。该系统由ABC转运器LptB2FGC、跨膜桥蛋白LptC和LptDE组成，通过ATP水解驱动LPS从内膜转运至外膜。研究发现LptC的跨膜螺旋对调控转运活性至关重要，影响LptB2FGC的ATP酶活性和桥结构稳定性。新抗生素如佐苏拉巴平通过结合Lpt桥的特定位点，阻断LPS转运，其作用机制与LptC构象变化密切相关。此外，LPS合成与外膜磷脂运输的协调机制及多向信号通路调控仍是研究热点。

　　Gram-negative细菌的外膜是其细胞结构中一个至关重要的部分，这一结构不仅决定了它们对多种抗生素的天然耐药性，还与细胞的生长、分裂以及膜成分的动态平衡密切相关。外膜的特殊结构使其成为一种有效的屏障，能够阻止许多小分子的被动扩散进入细胞，从而保护细胞免受外界有害物质的侵害。然而，这种结构的形成和维持依赖于一系列复杂的分子机制，包括脂质和蛋白质的合成、运输以及在外膜上的组装过程。其中，脂质的运输尤为关键，因为脂质的合成主要发生在内膜，随后需要通过特定的运输系统传递到外膜，以确保外膜的正常构建和功能。

外膜的结构具有不对称性，其中内叶由磷脂组成，而外叶则由脂多糖（LPS）构成。这种结构的不对称性是通过一系列精密的分子机器和运输路径来实现的。例如，LPS的运输依赖于一种被称为Lpt系统的跨膜蛋白桥，这种桥由多个蛋白质组成，能够将LPS从内膜传递到外膜，并在运输过程中提供一个连续的疏水通道，以保护LPS的脂肪酰链免受周围水性环境的破坏。与此同时，磷脂的运输也依赖于类似机制，可能通过AsmA-like蛋白或其他跨膜桥梁完成。这些蛋白质桥不仅在细菌中发挥作用，还可能在真核生物的细胞器之间存在，表明跨膜运输在生命系统中具有普遍意义。

为了维持外膜的不对称结构，细胞必须精确地协调脂质的合成、运输和组装。例如，LPS的合成过程涉及多个酶，其中LpxC是关键的起始步骤，负责合成LPS的核心结构。随后，LPS需要被翻转到内膜的周质叶层，这一过程由MsbA执行。翻转后的LPS可能还需要添加额外的糖基团，形成完整的O-抗原结构，从而进一步增强外膜的屏障功能。完成这些步骤后，LPS必须通过Lpt系统传递到外膜，这一过程依赖于LptB2FGC的ATP水解活动，以及LptC、LptA等蛋白的协同作用。

LPS的运输不仅影响外膜的结构完整性，还对细胞的存活和抗生素敏感性产生深远影响。如果LPS的运输受到干扰，会导致外膜的通透性增加，从而使细胞更容易受到抗生素的攻击。然而，LPS的运输本身也受到严格的调控，以确保其在正确的部位被插入并维持外膜的稳定。例如，LptD作为外膜上的关键蛋白，其结构和功能的改变可能影响整个LPS运输路径的效率。此外，LptC的跨膜螺旋在调控LPS运输中扮演重要角色，它可能通过影响LptB2的ATP酶活性，控制运输的启动和停止。

近年来，随着对LPS运输机制的深入研究，越来越多的抗生素靶点被发现。例如，针对LPS合成和运输的化合物，如LpxC抑制剂、MsbA抑制剂以及Lpt系统的特定抑制剂，已被提出并进入临床试验。其中，zosurabalpin作为一种新的环状肽抗生素，已被证明能够有效靶向Lpt系统，并且在临床试验中显示出对抗耐碳青霉烯类的铜绿假单胞菌感染的潜力。这些化合物的作用机制涉及它们如何干扰Lpt系统的活性状态，例如通过与LPS结合并阻止其通过跨膜桥梁运输，从而破坏外膜的完整性。

除了LPS的运输，磷脂的运输同样重要。磷脂主要通过内膜合成，随后需要被运输到外膜。这一过程可能涉及AsmA-like蛋白或其他跨膜桥梁，这些蛋白能够通过特定的结构域，如β-凝胶结构域，实现磷脂的高效运输。此外，MCE（哺乳动物细胞进入）蛋白家族也被认为在磷脂运输中发挥作用，它们可能通过形成周质桥梁，将磷脂从外膜运输回内膜，以维持膜的平衡。

这些运输机制的调控不仅涉及运输路径本身，还可能依赖于细胞内的其他信号系统。例如，外膜上的磷脂酶PldA能够感知磷脂在周质叶层的异常分布，并通过水解这些脂质来释放脂肪酸和脂质分子，进而促进LpxC的稳定性，增加LPS的合成。同样，内膜上的传感器YejM能够检测内膜周质叶层中LPS的水平，并通过与LapB的相互作用，调控LpxC的降解，从而维持LPS和磷脂的平衡。这种协调机制表明，细胞通过复杂的反馈回路来确保外膜的正确组装和功能。

此外，细胞壁的合成与外膜的扩展也密切相关。细胞壁主要由肽聚糖（PG）组成，它与外膜和内膜之间形成一个夹层结构。在细胞生长和分裂过程中，细胞壁的扩展必须与外膜的组装保持同步。例如，在铜绿假单胞菌中，MurA和LpxC之间的直接相互作用可能有助于维持PG和LPS合成之间的平衡。这种相互调控机制可能在其他细菌中也存在，为开发新的抗生素提供了潜在的靶点。

尽管对LPS运输机制的研究已经取得了显著进展，但许多关键问题仍然未解。例如，LptC跨膜螺旋如何精确调控ATP酶活性，以及LPS运输如何与细胞壁的扩展保持协调。此外，针对LPS运输系统的抗生素开发仍面临挑战，如药物的毒性和对运输路径的特异性。因此，未来的研究需要进一步探索这些机制，并开发更有效、更安全的抗生素。

总的来说，LPS运输系统是Gram-negative细菌细胞膜结构和功能的重要组成部分。其复杂的跨膜桥梁结构和调控机制为理解细胞膜的生物合成提供了新的视角，同时也为开发针对耐药菌株的新型抗生素提供了重要的理论基础和实验依据。随着研究的深入，我们有望揭示更多关于这一系统的分子细节，并利用这些知识来设计更有效的治疗策略。