泛酸激酶結(jié)構(gòu)揭示抗生素耐藥機(jī)制

是什么使得一些類型的細(xì)菌對一種抗生素產(chǎn)生了耐藥性？美國圣·猶大兒童醫(yī)院的一項新研究表明，這個現(xiàn)象背后的一個令人驚訝的研究結(jié)果為人們了解兒童所患的一種罕見的大腦退化疾病——泛酸激酶相關(guān)神經(jīng)退化癥（PKAN）提供了重要線索。通過對泛酸激酶的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，研究人員將抗生素耐藥性與這種大腦疾病聯(lián)系在一起。該研究的結(jié)果刊登在8月16日出版的《結(jié)構(gòu)》（Structure）雜志上。

泛酸激酶能觸發(fā)輔酶A(CoA)產(chǎn)生過程的第一步，而CoA則是所有生命體不可或缺的一種重要分子。CoA在細(xì)胞從脂肪酸和糖獲得能量的能力中起到關(guān)鍵作用。細(xì)菌也需要CoA來形成它們的細(xì)胞壁。泛酸激酶的職責(zé)就是分別“抓”住一種泛酸（維生素B5）和另外一種含有磷酸基團(tuán)的分子，接著該酶將磷酸基團(tuán)移走并連接到泛酸上。在人類中，這種酶產(chǎn)生的某些突變能妨礙將磷酸連接到泛酸上的能力，從而減少CoA的制造并導(dǎo)致泛酸激酶相關(guān)神經(jīng)退化癥。

研究人員已經(jīng)知道一類叫做泛酸氨基化物（pantothenamides）的抗生素能夠模擬維生素B5并進(jìn)入這種酶中，從而抑制細(xì)菌產(chǎn)生脂肪酸的能力。不同類型的細(xì)菌會形成自己獨特版本的泛酸激酶，如I、II、III型。

這個研究組此前還確定出I型泛酸激酶的結(jié)構(gòu)和功能。他們想知道結(jié)構(gòu)差異很大的II型和III型泛酸激酶如何行使相同的功能，為什么具有III型酶的細(xì)菌會對pantothenamide抗生素產(chǎn)生耐藥性。此外，研究組還希望通過比較細(xì)菌的泛酸激酶和人類的泛酸激酶來更好地了解人類患PKAN的病因。研究人員利用X射線晶體學(xué)技術(shù)獲得了II型和III型泛酸激酶以及它們與泛酸和ATP（提供磷酸基團(tuán)的能量分子）相互作用時的三維圖像。

首先，研究人員結(jié)晶了這種酶的樣品并用X射線轟擊該結(jié)晶晶體；然后，他們利用產(chǎn)生的光衍射模式構(gòu)建出不同類型泛酸激酶扭轉(zhuǎn)、折疊氨基酸鏈的計算機(jī)三維模型，以及它們與其他分子相互作用的模型。

當(dāng)研究這些圖像時，研究人員意識到構(gòu)成每種類型酶的單體（亞基）是由差異很大的氨基酸鏈構(gòu)成的，但是它們卻折疊成幾乎相同結(jié)構(gòu)的三維單體構(gòu)型。這一發(fā)現(xiàn)令研究人員非常驚訝，因為每個鏈上的不同氨基酸具有不同的尺寸和生化特征，因此它們應(yīng)該是不可能形成相同的三維結(jié)構(gòu)的。

這個現(xiàn)象還不止于此。接下來的分析顯示，每對相同形狀的單體能以一種新穎的方式相互結(jié)合，從而形成同一個酶的兩個版本，雖然它們看起來不像，但卻行使相同的功能。研究人員分析說，兩種類型酶的編碼基因是由一個共同的祖先基因進(jìn)化而來。這個共同的基因發(fā)生進(jìn)化并形成最終的II型和III酶結(jié)構(gòu)，雖然外形和工作方式不同，但起到的功能卻相同。

這些三維圖像揭示出兩種類型的泛酸激酶如何以不同的方式執(zhí)行相同的任務(wù)，而且還表明金黃葡萄球菌中的II型泛酸酶在它的氨基酸鏈的環(huán)和扭轉(zhuǎn)處有一個空出來的“洞穴”——正是這個“洞”讓pantothenamide抗生素滑進(jìn)酶的內(nèi)部。但是，假單胞菌的III型酶則沒有這個洞，因此抗生素不能進(jìn)入酶中，正是這一結(jié)構(gòu)使假單胞菌對這類抗生素產(chǎn)生了抗藥性。