揭示百日咳杆菌TAXI-GltS系统：一类新型结合蛋白依赖性溶质转运体的发现与机制解析

本研究首次发现并表征了百日咳杆菌中一种新型TAXI亚家族底物结合蛋白(BP0403)，其通过独特的结构域组成形成稳定二聚体，并以纳摩尔级亲和力结合L-谷氨酸。基因组分析揭示其与Na+/谷氨酸同向转运体(GltS)的共定位关系，通过结构建模提出"升降机"机制，为SBP依赖性次级主动转运体家族增添了全新成员。

　　

在微生物营养摄取机制的研究中，结合蛋白依赖性转运系统长期被认为仅存在于ABC转运体、TRAP和TTT三类转运体系中。然而，这种认知正被一项突破性研究打破——来自英国谢菲尔德大学(University of Sheffield)的研究团队在《Communications Biology》发表的成果，揭示了一类全新的结合蛋白依赖性次级转运系统。这项研究以百日咳杆菌(Bordetella pertussis)为模型，发现其基因组中隐藏着颠覆传统认知的转运机制，为微生物代谢适应性和致病机制提供了全新视角。

研究人员采用多学科技术手段展开研究：通过AlphaFold2/3进行蛋白质结构预测和复合体建模，结合分子排阻色谱(SEC)分析寡聚状态，运用差示扫描荧光法(DSF)和酪氨酸荧光测定配体结合特性，并开展基因组共定位分析。样本来源于百日咳杆菌Tohama I标准菌株的基因序列。

BP0403的结构特征

AlphaFold模型显示BP0403具有独特的三域结构：N端α/β球状域(NTD)、中央螺旋域(HD)和C端TAXI SBP域。该蛋白通过脂蛋白信号肽锚定膜上，其SBP域与已知谷氨酸特异性TAXI蛋白VcGluP结构相似(RMSD 3.4 ?)。

BP0403结合L-谷氨酸

DSF分析发现全长蛋白(BP0403_FL)呈现双熔解峰(Tm₁=43.7°C，Tm₂=53.7°C)，其中Tm₂在L-谷氨酸存在时显著右移。分离的SBP域经荧光滴定测定对L-谷氨酸的K_d为180±32 nM，关键结合位点残基Y219和Q263的突变使亲和力降低167-250倍。

BP0403的二聚化机制

SEC分析表明BP0403_FL形成114.8 kDa二聚体。通过螺旋域L201R突变实现单体化，证实该区域介导二聚化。AlphaFold3模型显示二聚体采取"域交换"构型，疏水相互作用稳定组装体。

与GltS的功能关联

基因组分析发现BP0403基因与gltS(编码Na⁺/谷氨酸同向转运体)共定位且存在翻译耦合。在Lachnospiraceae科细菌中发现TAXI-GltS融合蛋白，支持二者功能关联。GltS结构模型显示其具有类似TRAP转运体的"支架域-转运域"升降机结构。

异源四聚体模型

AlphaFold3构建的BP0403:GltS复合体模型显示，每个BP0403原体同时与两个GltS原体相互作用：NTD接触一个GltS的转运域，SBP域靠近另一个GltS的潜在底物通道。模型呈现GltS的"外向开放"构象，支持升降机式转运机制。

这项研究从根本上扩展了对结合蛋白依赖性转运系统的认知，首次证实TAXI SBP可与非TRAP家族的GltS形成功能单元。从生理角度看，这种高亲和力系统有助于病原体在低谷氨酸环境中竞争营养，百日咳杆菌中多种谷氨酸摄取途径的共存暗示其对这种关键氨基酸的特殊需求。从机制角度看，所有已知与SBP偶联的次级转运体(TRAP、TTT和本研究的GltS)均采用升降机机制，提示这种构象变化可能特别适合与可溶性结合蛋白协同工作。发现的TAXI-GltS基因融合体为膜蛋白进化研究提供了新范例，也为针对病原体代谢弱点的抗菌策略开发指明新方向。