病原体铜绿假单胞菌利用衣康酸的关键机制：IctPQM TRAP转运体的特异性摄取作用

本研究揭示了人类病原体铜绿假单胞菌利用宿主代谢物衣康酸（itaconate）的关键机制。研究人员通过遗传学、生物化学和结构生物学方法，证实了IctPQM TRAP转运体对衣康酸的特异性摄取功能，并解析了其底物结合蛋白IctP与衣康酸的复合物结构。该发现阐明了病原体适应宿主环境的新策略，为抗感染治疗提供了新靶点。

　　

在呼吸道感染疾病中，铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）作为机会性病原体，是导致囊性纤维化（CF）和慢性阻塞性肺病（COPD）患者病情恶化和死亡的主要原因。这种革兰氏阴性菌能够利用宿主产生的多种代谢物作为碳源和能源，其中短链二羧酸盐特别是琥珀酸（succinate）和衣康酸（itaconate）在感染过程中扮演着关键角色。衣康酸是一种C₅-二羧酸盐，由宿主免疫细胞在炎症反应中大量产生，既是抗菌分子，也可被某些病原体利用作为生存资源。然而，铜绿假单胞菌如何摄取衣康酸这一科学问题长期以来未被阐明。

为了解决这一问题，Javeria Mehboob、Reyme Herman等研究团队在《Biochemical Journal》上发表了一项重要研究。他们发现铜绿假单胞菌PAO1菌株中位于衣康酸代谢基因簇下游的pa0884-pa0886基因编码一个TRAP（Tripartite ATP-independent Periplasmic）转运体系统，并将其命名为IctPQM。该系统专门负责衣康酸的摄取，是病原体在宿主环境中持续生存的关键因素。

研究人员主要采用了基因敲除菌株的生长实验、纳米差示扫描荧光法（nanoDSF）检测蛋白-配体相互作用、荧光光谱法测定结合亲和力、X射线晶体学解析蛋白结构等技术方法。实验所用菌株包括野生型PAO1和多个突变体，蛋白样本通过重组表达和色谱技术纯化获得，晶体学数据在Diamond Light Source同步辐射光源收集。

研究结果首先通过生长实验证实IctPQM转运体对衣康酸利用的必要性。研究发现，缺失转运体小膜亚基编码基因pa0885的突变体完全丧失在衣康酸为唯一碳源的培养基中的生长能力，而底物结合蛋白编码基因pa0884的突变则导致生长延迟，表明可能存在部分功能补偿机制。

在生化特性方面，研究人员通过nanoDSF和荧光光谱技术证明IctP蛋白能够结合衣康酸和其他C₄-二羧酸盐。值得注意的是，IctP对衣康酸的结合亲和力（K_D=179.6 μM）低于对琥珀酸（K_D=32.6 μM）和苹果酸（K_D=16.2 μM），说明虽然该蛋白能够识别衣康酸，但仍保留了对传统C₄-二羧酸盐的高亲和力。

最引人注目的是研究人员解析了IctP与衣康酸（1.80 ?分辨率）和琥珀酸（1.75 ?分辨率）的复合物晶体结构。结构分析显示，衣康酸的两个羧基基团通过离子对和氢键与蛋白结合口袋中的精氨酸169、赖氨酸94、天冬酰胺209等关键残基相互作用。与专门识别琥珀酸的DctP（PA5167）相比，IctP结合口袋中的234位氨基酸由亮氨酸变为缬氨酸，这一细微变化为衣康酸特有的C2亚甲基基团提供了额外的空间，实现了对衣康酸的特异性识别。

研究结论表明，IctPQM代表了一个通过基因复制和功能特化进化而来的专门转运系统。铜绿假单胞菌通过复制祖先的C₄-二羧酸盐转运系统DctPQM，并通过关键氨基酸替换实现了对衣康酸的特异性识别和转运。这种适应性进化使病原体能够利用宿主免疫反应产生的衣康酸作为碳源，在呼吸道环境中持续生存。

该研究的重要意义在于首次揭示了细菌中专门的衣康酸摄取系统，为理解病原体与宿主相互作用的代谢基础提供了新视角。在感染微环境中，铜绿假单胞菌可能通过清除衣康酸来缓解这种抗菌分子对自身及其他细菌（如金黄色葡萄球菌）的抑制效应，促进多微生物感染的持续存在。这一发现不仅增进了对细菌代谢适应机制的理解，也为开发针对病原体代谢脆弱性的新型抗菌策略提供了潜在靶点。