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Lipid A的生物合成和遗传学概述

发布时间: 2024-01-12  点击次数: 197次

Lipid A的生物合成发生在细胞膜的胞浆面。既往认为Lipid A的合成起点为UDP-N-葡萄糖胺(UDP-GlcN),目前已证实真正的合成起点为UDP-N-乙酰葡萄糖胺(UDP-GlcNAc)。Lipid A的合成是在lpx基因簇编码的一系列酶的催化下,经过UDP-N-乙酰葡萄糖胺、UDP-单脂酰乙酰葡萄糖胺、UDP-2,3二脂酰葡萄糖胺、Lipid Ⅹ、LipidⅣA等一系列中间体的合成步骤,最终生成Lipid A。其中β-羟基14烷酸-酰基载体蛋白[(β-OH)C14-ACP]在Lipid A的生物合成中提供Lipid A结构中的β-羟基14烷酸﹐酰基载体蛋白(acyl carrier protein,ACP)由acpP基因编码。

一、UDP-单脂酰乙酰葡萄糖胺

在UDP-N-乙酰葡萄糖胺酰基转移酶(UDP-GlcNAc O-acyltransferase)(lpxA基因编码)的作用下,UDP-GlcNAc在3-羟基位被(β-OH)C14-ACP提供的β-羟基14烷酸酰化生成UDP-单脂酰乙酰葡萄糖胺(UDP-3-monouoyl-GlcNAc)(图3-1)。



二、UDP-2,3二脂酰葡萄糖胺和Lipid Ⅹ

UDP-3-monouoyl-GlcNAc在N-脱乙酰酶(UDP-3-O-N-acetylgluco samine deacety-lase)(lpxC基因编码)作用下脱去C-2氨基上的乙酰基团,然后在酰基转移酶(acyl-transferase)(lpxD基因编码)的催化下向C-2氨基转入ACP结合的β-羟基14烷酸,生成UDP-2,3-二脂酰葡萄糖胺(UDP-2,3-Di-acyl-GlcN)(图3-1)。最后在焦磷酸酶的作用下,磷酸置换出UDP,生成1-磷酸-2,3-二脂酰葡萄糖胺即 Lipid X(图3-2)。





三、Lipid Ⅳ A

在Lipid A 双糖合成酶(disaccharidesynthase)(lpxB基因编码)的催化下,UDP-2,3-二脂酰葡萄糖胺和 Lipid X在1-6位置通过焦磷酸键连接缩合生成Lipid A前体分子二糖1-磷酸(二糖1-P)。此时每个糖基上有2个β-羟基14烷酸,还原性葡萄糖胺的C-1位上有一磷酸基。然后在C-4-膜结合激酶(membrane bound 4 kinase)的作用下(在大肠杆菌中由lpxK基因编码),非还原性葡萄糖胺的C-4上再连接一个磷酸基团,生成1,4-二磷酸四脂酰葡萄糖胺双糖即LipidⅣA(图3-2)。

四、Lipid A

Lipid ⅣA在转变为Lipid A 的合成反应中,在KDO转移酶(KDO transferase)(kdtA/ waaA基因编码)的作用下,非还原性葡萄糖胺的C-6´与CMP-KDO中的KDO偶联。然后在同样的转移酶作用下使第2个CMP-KDO与第一个KDO的C-4-OH结合。Lipid A中的脂肪酸(十二烷酰和十四烷酰链)是在KDO结合到Lipid ⅣA后,再通过一种独-特的酰基转移酶(acyltransferases)(htrB和msbB基因编码),在Lipid ⅣA的C-2´和C-3´位脂肪酸主链上再引入2个饱和脂肪酸(C12,C14),从而在胞浆面形成较为完整的疏水性的锚状结构即KDO-Lipid A(图3-3)。





在第4步的合成中,不同细菌所连接脂肪酸链的程度可以不同,这是造成不同细菌的LPS毒力差异的原因之一,这与某些基因的调控有关,如沙门菌的PhoP/PhoQ因子,它可调控Lipid A中2-羟基十四烷酸盐和棕榈酸盐的修饰,从而增强了细菌对宿主非特异性免疫识别的逃逸能力。

沙门菌逃避宿主杀灭的机制﹐主要受控于PhoP/PhoQ双成分调节因子。PhoP/PhoQ通过磷酸化或结合特定的启动子,诱导或抑制基因的表达,这些基因称为phoP激活基因(pag)和phoP抑制基因(prg)。通过这些基因的调控表达,可使沙门菌适应外周的环境,抵抗宿主细胞的杀灭作用。pag基因和prg基因的平衡表达是维持沙门菌生存所必需的。目前发现pagC、pagD、pagJ 、pagK、pagM和pagP与沙门菌的毒力有密切关系。

参与Lipid A合成的酶都位于细胞质或细胞膜的胞浆面,因为在体外研究中发现,从Lipid ⅣA转变成Lipid A的过程中都需要去垢剂的激活。但近年在鼠伤寒沙门菌中发现,由pagL基因(PhoP/PhoQ-activatedgene L)编码的一种独-特的脱酰酶以及在大肠杆菌中由pWLP21质粒控制合成的蛋白质,可以 PhoP/PhoQ依赖的方式导致Lipid A的R-3-羟基十四烷酸发生改变,从而造成Lipid A对阳离子抗菌肽的耐受性加强,但它不影响细菌细胞的生长。通过分离外膜和SDS/PAGE分析,该脱酰酶主要位于细胞外膜,由185个氨基酸序列组成,其氨基端是20个氨基酸组成的信号肽。在这个过程中,有可能lpxO基因也参与其中,它可能编码产生一种Fe2+/α酮戊二酸盐依赖的双加氧酶,催化Lipid A或其前体的羟基化,该酶是一种含有302个氨基酸的蛋白质,位于细胞膜上,其两端具有与膜结合的锚状结构;另一个位于外膜的酶由pagP基因所编码,其作用和pagL相似,参与2-羟基十四烷酸盐的修饰。

尽管Lipid A的结构相当保守,但在许多生物体中,已证实Lipid A仍存在进一步的共价修饰,这种修饰可能与细菌的致病性或有利于其在宿主体内的生存有关。一种位于细胞膜胞质面的4-氨基-4-脱氧阿拉伯糖(4-amino-4-deoxy-1-arabinose,1-Ara4N)转移酶(ArnT)可以在Lipid A合成的过程中,将1或2个1-Ara4N转移至Lipid A或其前体分子Lipid Ⅳ A的磷酸基团上,从而导致大肠杆菌K-12和鼠伤寒沙门菌对多粘菌素的耐受。在鼠伤寒沙门菌中,该酶由染色体上的orf5,pmrK和yfbl基因编码,含有548个氨基酸残基并可能存在12个跨膜区域,在绿脓假单胞菌和耶尔森菌也被发现有类似的氨基酸序列。


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