林思彤，劉曉琳，孫 磊，沙金丹，劉耀川，張德顯，劉明春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學畜牧獸醫(yī)學院，遼寧沈陽 110866)

文獻綜述

PASTA-eSTK對細菌調(diào)節(jié)作用研究進展

林思彤，劉曉琳，孫 磊，沙金丹，劉耀川，張德顯*，劉明春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學畜牧獸醫(yī)學院，遼寧沈陽 110866)

細菌體內(nèi)的磷酸化蛋白可以使多種氨基酸如組氨酸、半胱氨酸、絲氨酸等發(fā)生磷酸化，對蛋白進行修飾，進而調(diào)節(jié)菌體生長、毒力和耐藥等多種生理學功能。eSTK是位于細菌細胞膜上的一種磷酸化蛋白，具有與真核生物細胞內(nèi)相似的催化反應區(qū)和細菌所特有的胞外區(qū)，這個胞外區(qū)域被稱為PASTA。近年來發(fā)現(xiàn)，PASTA-eSTKs能夠調(diào)節(jié)細菌菌體內(nèi)多種物質(zhì)的合成以及生命活動，包括細菌細胞壁的合成、細胞形態(tài)、細胞分裂和孢子的形成等，但在細菌的進化過程中，不同細菌產(chǎn)生了特有的蛋白磷酸化調(diào)節(jié)機制，因而，PASTA-eSTKs在不同的菌體所表現(xiàn)出來的作用也有一定差異。論文就eSTKs通過PASTA對細菌分裂等方面的調(diào)節(jié)作用進行綜述，為探討該蛋白激酶對細菌細胞分裂和形態(tài)調(diào)節(jié)作用機制提供參考。

PASTA-eSTKs；蛋白磷酸化；細菌細胞分裂；信號轉導

20世紀50年代以來，蛋白磷酸化被認為是調(diào)節(jié)生物細胞生理生化功能的重要機制之一[1]。絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(serine and threonine kinases，STKs)是真核細胞內(nèi)蛋白質(zhì)磷酸化的重要機制，近年來，研究發(fā)現(xiàn)這種機制也廣泛存在于原核細胞如細菌菌體內(nèi)。真核生物細胞內(nèi)蛋白磷酸化通常發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基；而細菌內(nèi)的蛋白磷酸化則主要發(fā)生在組氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸和精氨酸殘基上，而較少發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基[2]。雖然發(fā)生蛋白磷酸化的氨基酸殘基存在差異，但是真核細胞和細菌的蛋白磷酸化酶的結構具有高度的相似性[3]，因此也將細菌內(nèi)的蛋白磷酸化酶稱為真核樣絲氨酸/蘇氨酸激酶(eukaryotic-like serine and threonine kinases，eSTKs)。

eSTKs對細菌的毒力、細胞分裂和形態(tài)等多方面能夠產(chǎn)生影響[4-5]，而這種作用的產(chǎn)生依賴于激酶的保守催化區(qū)域和可變的子區(qū)域，后者包括醌類結合區(qū)域和類LuxR家族區(qū)域等[6]。這些可變區(qū)域的功能目前尚不清楚，推測可能與eSTKs的活化和/或對底物識別的特異性有關。某些細菌的eSTKs的可變區(qū)包含有能夠與β-內(nèi)酰胺類抗生素結合的青霉素結合蛋白和絲氨酸/蘇氨酸激酶連接區(qū)(penicillin binding proteins and STK-associated，PASTA)，PASTA也存在于青霉素結合蛋白(penicillin binding proteins，PBPs)的C末端[7]。eSTKs的PASTA與細菌細胞的分裂和形態(tài)調(diào)節(jié)密切相關[8]。本文就PASTA-eSTKs對細菌調(diào)節(jié)的作用進行綜述。

1 PASTA-eSTKs的結構

PASTA-eSTKs主要包括胞質(zhì)內(nèi)結構和胞外結構，關于前者的研究最早出現(xiàn)在結核桿菌菌體內(nèi)[9]，而胞外PASTA的結構已經(jīng)在結核桿菌的PknB和金黃色葡萄球菌的Stk1中發(fā)現(xiàn)[10]。本文主要以結核桿菌中的PknB和金黃色葡萄球菌中的Stk1為例，來闡明PASTA-eSTKs的結構特征和激活過程。

1.1 PASTA-eSTKs的胞質(zhì)結構域

PASTA-eSTKs的胞質(zhì)內(nèi)結構域由激酶催化區(qū)域和近膜區(qū)域組成[11]。近膜區(qū)域的氨基酸序列容易發(fā)生變化，且受到激酶催化區(qū)域的影響，其與細胞膜的接近程度也會發(fā)生變化[12]，但該區(qū)域的具體作用尚不清楚。結核桿菌PknB近膜區(qū)域中的2個蘇氨酸殘基被磷酸化之后，能夠活化PASTA-eSTKs，推測此區(qū)域能夠與蘇氨酸的底物進行進行特異性結合，并能夠誘導結核桿菌PknB近膜區(qū)域的蘇氨酸發(fā)生磷酸化[13]。

Young T A等[14-15]最早進行了結核桿菌PknB結構域的研究，盡管該蛋白跟真核細胞STK的氨基酸序列的相似率只有30%左右，但是PknB含有維持STK活性的主要氨基酸序列，包括PknB的N末端的β-折疊和C末端的螺旋結構。此外，PknB的N末端也包含一些α螺旋，能夠影響該蛋白的催化活性，同真核生物一樣，細菌體內(nèi)的ATP能夠結合在N末端的β-折疊和α螺旋之間的可變區(qū)，證明細菌和真核生物都具有保守的ATP結合區(qū)[16]。

1.2 PASTA-eSTKs的胞外結構區(qū)

PASTA-eSTKs的胞外結構區(qū)包含多個PASTA基序，且不同的細菌含有的PASTA超二級結構體的數(shù)量也不相同，如棒狀鏈霉菌的PASTA-eSTKs僅含有1個PASTA超二級結構體，而惰性真桿菌中則含有7個PASTA基序。發(fā)現(xiàn)鏈霉菌PknB的4個串聯(lián)重復序列和能夠連接肽聚糖的PBPs C末端具有高度同源性，并命名為細菌的eSTKs的PASTA基序[17]。PASTA超二級結構體的結構最早在肺炎鏈球菌的PBP2X上得到證實，PBP2X包括兩個PASTA基序，每一個PASTA包含一個由3個β-折疊和1個α螺旋組成的球狀體[18]。隨后證實，結核桿菌的PknB和金黃色葡萄球菌Stk1與肺炎鏈球菌PBP2X中的具有相似的PASTA基序，但是PASTA基序的氨基酸序列具有較大差異[8]。氨基酸序列的差異提示細菌的真核樣絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶胞外結構區(qū)的具有較高的可變性，因此多種外界因素能夠影響細菌的生長和細胞形態(tài)，但具體的機制仍需要進一步的研究。

1.3 PASTA在細菌eSTKs活化過程中的信號傳導作用

青霉素結合蛋白的PASTA和細菌eSTKs的PASTA結構上具有相似性，而β-內(nèi)酰胺類藥物能夠與PBPs的PASTA區(qū)域結合[10]，因此，推測細菌eSTK的PASTA也能夠與β-內(nèi)酰胺類藥物結合。真核生物體中，STKs的受體跟配體結合后而使該酶活化，細菌eSTKs則是通過與胞壁肽結合形成二聚體，活化此蛋白激酶。因此，細菌eSTKs的PASTA部分可以感應細胞壁是否受損，而將此信號傳導至細胞內(nèi)，并由此而產(chǎn)生一系列的磷酸化作用，影響菌體的生長和形態(tài)等生物學特征。在細菌培養(yǎng)液中加入胞壁肽可以促進細菌產(chǎn)生孢子，而缺乏STKs的菌株則不能產(chǎn)生孢子，而細菌的eSTKs的PASTA能夠結合胞壁肽[19]，提示細菌孢子的產(chǎn)生是由于eSTKs的PASTA與胞壁肽結合之后，引起細菌菌體內(nèi)一系列生物學變化，促使細菌產(chǎn)生孢子，進而抵抗外界惡劣的生存環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn),某些細菌eSTK的PASTA是單體結構，不能夠與胞壁肽形成二聚體結構[17]。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)雖然這些細菌eSTKs的PASTA是單體結構，但是該蛋白激酶跨膜區(qū)可感應外界環(huán)境中的胞壁肽的濃度，促進此胞外PASTA單體結構的二聚體化，進而活化eSTKs[20]。此外，StkP和PknB的PASTA能夠影響激酶在細菌菌體表面的位置，如PASTA的二聚體化可使StkP更傾向于集中于桿菌菌體的中部，而促使PknB出現(xiàn)在桿菌的兩端[21]?？傊?，細菌eSTKs的PASTA結構能夠與菌體細胞壁的成分相互作用，活化eSTKs，進而調(diào)節(jié)菌體的多種生理活動。

2 PASTA-eSTKs的生物學作用

PASTA-eSTKs能夠調(diào)節(jié)細菌細胞壁的合成，影響細胞形態(tài)、細胞分裂和孢子的形成等，但是在不同的菌體所表現(xiàn)出來的作用也有一定差異，可能是由于細菌在進化過程中，不同菌種產(chǎn)生了特有的蛋白磷酸化調(diào)節(jié)機制。因此，本綜述主要對目前研究比較多的結核桿菌和金黃色葡萄球菌來闡明PASTA-eSTKs的生物學作用。

2.1 PASTA-eSTKs在結核桿菌中的作用

結核桿菌eSTKs PknA的過表達能夠影響菌體形態(tài)，進一步研究發(fā)現(xiàn)，該菌的PknA和PknB對菌體的形態(tài)具有重要的調(diào)節(jié)作用，且PknA和PknB的過表達會使細菌的菌體呈現(xiàn)短而圓的形態(tài)，而這兩個基因的不表達會導致菌體出現(xiàn)相反的細菌形態(tài)[22]。Wag31與細菌的細胞分裂有關，Wag31被PknA磷酸化以后調(diào)節(jié)桿菌兩端的肽聚糖的合成，而中間部分的肽聚糖合成受到抑制，進而促使細菌形成短圓形的菌體[23]。在結核桿菌菌體內(nèi)，PknB能夠使PknA發(fā)生磷酸化，因此，這兩種eSTKs能夠通過一系列復雜的信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)使菌體內(nèi)的細胞分化蛋白發(fā)生磷酸化，來調(diào)節(jié)菌體的生長和菌體形態(tài)[24]。結核桿菌PknA和PknB也可以通過磷酸化PBPA影響結核桿菌菌體形態(tài)，但是，PknA和PknB并不是直接作用于肽聚糖的合成而影響菌體形態(tài)，而是通過影響肽聚糖的連接方式改變菌體形態(tài)[22]。MurD和GlmU受到PknA和PknB的磷酸化后也能夠參與結核桿菌肽聚糖的合成，雖然MurD在結核桿菌肽聚糖合成過程中的具體作用尚不明確，但是研究發(fā)現(xiàn)，GlmU磷酸化后其乙酰轉移酶活性明顯降低[25]。結核桿菌中的HupB可被真核樣絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶PknA和PknB磷酸化，并降低與DNA的結合能力，提示PknA和PknB也可能參與細菌菌體細胞分裂過程中的DNA的分布[26]。

2.2 PASTA-eSTKs在金黃色葡萄球菌中的作用

Stk1是金黃色葡萄球菌中的eSTKs，盡管沒有發(fā)現(xiàn)直接的證據(jù)能夠說明Stk1參與了金黃色葡萄球菌細胞壁的合成，但是在某些研究發(fā)現(xiàn)，Stk1可能間接的參與了細菌細胞壁的合成。敲除Stk1的金黃色葡萄球菌對某些β-內(nèi)酰胺類藥物的敏感性增強，并且細胞形態(tài)發(fā)生改變，推測這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于細菌細胞壁的結構發(fā)生改變而導致的[27]。同時，使用stp1基因替換金黃色葡萄球菌的Stk1之后，金黃色葡萄球菌的細胞壁變薄，進一步證實了Stk1介導的磷酸化作用在細胞壁的形成過程中發(fā)揮重要作用[28]。萬古霉素和陽離子抗菌肽能夠破壞細菌細胞壁而產(chǎn)生殺菌作用，GraSR是細菌體內(nèi)與萬古霉素和離子類抗生素耐藥相關的二元調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中GraS發(fā)揮轉移調(diào)控作用依賴于Stk1的磷酸化作用[29]。GraS中胞壁酸結合區(qū)上的3個蘇氨酸在Stk1的作用下發(fā)生磷酸化后可增強對胞壁酸的結合能力，并在D-丙氨酸的調(diào)節(jié)作用下促進細胞壁的合成作用，對抗萬古霉素和陽離子抗菌肽對細菌細胞壁的破壞作用[29]。

3 小結

PASTA-STKs與細菌的細胞分裂、菌體形態(tài)和耐藥等密切相關，由于PASTA-STKs作用底物比較多，產(chǎn)生的生物學活性比較廣泛，尚無關于PASTA-STKs對菌體生物學活性影響的明確機制，因此，明確PASTA-STKs對底物的特異性識別機制，對研究其在菌體內(nèi)的生物學活性具有重要作用。

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ProgressonRegulatoryEffectofPASTA-eSTKonBacteria

LIN Si-tong,LIU Xiao-lin,SUN Lei,SHA Jin-dan,ZHANG De-xian,LIU Ming-chun

(CollegeofAnimalHusbandryandVeterinaryMedicine,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning,110866,China)

Bacteria possess a repertoire of versatile protein kinases modulating diverse aspects of their physiology by phosphorylating proteins and regulate the cell growth,virulence and drug resistance on various amino acids including histidine,cysteine,serine.eSTK is a phosphorylated protein located on the bacterial cell membrane and has an extracellular domain peculiar to the catalytic reaction zone and bacteria that are similar to the eukaryotic cells.This extracellular domain is called PASTA.In lots of recent reports suggesting that PASTA-eSTKs could be involved in the formation of compounds and life processes in bacteria including the cell wall synthesis,cell division,morphogenesis and developmental processes in spore.However,observations differ from one species to another suggesting that a general mechanism of activation of their kinase activity is unlikely and that species-specific regulation of cell division is at play.In this paper,we reviewed the regulation of eSTKs on bacterial cells by PASTA,and laid a foundation for the mechanism of protein kinase on bacterial cell division regulation and so on.

PASTA-eSTKs; protein phosphorylation; bacterial cell division; signal transformation

2017-03-30

遼寧省教育廳項目(LSNYB201601)

林思彤(1993-)，女，遼寧營口人，碩士研究生，主要從獸醫(yī)藥理學與毒理學研究。*

S852.2

A

1007-5038(2017)11-0094-04