Molecular mechanisms of microbial complex carbohydrate secretion

微生物复合碳水化合物分泌的分子机制

基本信息

  • 批准号:
    9769067
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 28.28万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-01 至 2022-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Antibiotic-­resistant  pathogens  pose  a  significant  threat  to  human  health.  The  NIH  identified  several  Gram-­ negative  species  of  particular  concern  due  to  increasing  antibiotic  resistances.  The  cell  envelope  of  Gram-­ negative  bacteria  consists  of  two  membranes  and  lipopolysaccharides  (LPS)  form  an  important  component  of  the  extracellular  leaflet  of  the  outer  membrane.  LPS  are  important  cell  wall  components  that  control  diffusion  across the outer membrane, stabilize the cell envelope, and assist in escaping host immune defenses, among  other functions. Impaired LPS biosynthesis correlates with increased susceptibility to antimicrobial treatments.  LPS  contain  a  conserved  core,  consisting  of  lipid-­A  attached  to  an  oligosaccharide  backbone,  and  a  hypervariable  region,  called  the  O  antigen.  O  antigens  are  primarily  linear  complex  carbohydrates  that  reduce  the  efficacy  of  complement-­mediated  cell  lysis  and  phagocytosis  as  part  of  the  innate  immune  response.  O  antigens  are  synthesized  via  two  fundamentally  different  mechanisms.  One  pathway  relies  on  assembling  the  polymers  from  short  oligosaccharides  in  the  periplasm,  the  other  involves  moving  fully-­assembled  O  antigens  from the cytosolic to the periplasmic side of the inner membrane with the help of an ABC transporter. Not only  is  ABC  transporter-­mediated  secretion  of  O  antigens  an  important  process  for  microbial  pathogenicity,  the  transport  of  a  substrate  several  times  the  size  of  the  ABC  transporter  itself  is  fascinating  from  a  molecular  level.  Taking  advantage  of  an  already  determined  O  antigen-­translocating  ABC  transporter  structure,  we  propose  a  structural  biology  approach  to  unravel  the  mechanism  of  O  antigen  translocation  and  to  identify  unique features of the O antigen that regulate transporter activity.    ABC  transporters  use  ATP  binding  and  hydrolysis  to  cycle  between  conformations  that  mediate  substrate  translocation. Our O antigen ABC transporter structure represents a nucleotide-­free conformation, in which the  transporter  forms  a  continuous  channel  across  the  membrane  that  could  accommodate  a  translocating  O  antigen.  We  speculate  that  conformational  changes  associated  with  nucleotide  binding  induce  O  antigen  translocation  by  about  1-­2  sugar  units  per  ATP  hydrolyzed.  To  reveal  the  molecular  mechanism  of  O  antigen  translocation,  we  seek  to  determine  the  structure  of  the  ABC  transporter  in  a  nucleotide-­bound  closed  conformation  (Aim  1).  Further,  many  bacterial  species  signal  completion  of  O  antigen  biosynthesis  by  modifying  the  polymer’s  growing  end  with  specific  groups,  such  as  carbohydrate,  phosphate,  or  methyl  moieties.  These  ‘capped  O  antigens’  can  only  be  exported  by  transporters  containing  a  carbohydrate-­binding  domain  (CBD)  attached  to  their  nucleotide-­binding  domain.  This  domain  was  removed  from  our  O  antigen  transporter  to  facilitate  crystallization.  To  reveal  how  the  CBD  binds  its  substrate  and  modulates  transporter  functions, we propose to determine the structure and substrate binding properties of the isolated CBD (Aim 2A)  and to determine the architecture of the CBD-­containing full-­length O antigen transporter (Aim 2B).
抗生素的病原体对人类健康构成了重大威胁。 NIH确定了几克 - 由于抗生素耐药性增加而引起的特殊关注的负面物种。革兰氏的细胞包络 阴性细菌由两个膜和脂多糖(LPS)组成,构成了重要组成部分 外膜的细胞外小叶。 LPS是控制扩散的重要细胞壁成分 穿过外膜,稳定细胞信封,并协助逃脱宿主免疫防御措施 其他功能。 LPS生物合成受损与对抗菌治疗的易感性增加相关。 LPS包含一个保守的核心,由附着在寡糖主链上的脂质A组成,A 高变量区域,称为O抗原。 o抗原是原发性线性复合碳氢化物,可减少 完成介导的细胞裂解和吞噬作用的有效性是先天免疫反应的一部分。 o 抗原是通过两种根本不同的机制合成的。一条途径依赖于组装 来自白质寡糖的聚合物,另一种涉及移动完全组装的O抗原 从ABC转运蛋白的帮助下,从胞质到内膜的周质侧。不仅 ABC转运蛋白介导的O抗原是微生物致病性的重要过程, 底物的运输几倍以ABC转运蛋白本身的大小从分子着迷 等级。利用已经确定的O抗原转移ABC转运蛋白结构的优势,我们 提出一种结构生物学方法,以阐明O抗原易位的机制并确定 O抗原调节转运蛋白活性的独特特征。 ABC转运蛋白使用ATP结合和水解来循环介导底物的构象 运输。我们的O抗原ABC转运蛋白结构代表了无核苷酸的构象,其中 转运蛋白在整个膜上形成连续的通道,可以容纳易位O 抗原。我们推测与核苷酸结合相关的构象变化会影响o抗原 每个ATP水解约1-2个糖单位。揭示O抗原的分子机制 易位,我们试图确定核苷酸结合的ABC转运蛋白的结构 构象(目标1)。此外,许多细菌物种信号完成O抗原生物合成的完成 通过特定组(例如碳氢化物,磷酸盐或甲基)修改聚合物的生长端 部分。这些“上限” O抗原只能通过包含碳水化合物结合的转运蛋白出口 域(CBD)附着在其核苷酸结合域上。该域从我们的O抗原中删除 转运蛋白以促进结晶。揭示CBD如何结合其底物并调节转运蛋白 函数,我们建议确定分离的CBD的结构和底物结合特性(AIM 2A) 并确定含CBD的全长O抗原转运蛋白的结构(AIM 2B)。

项目成果

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