Tổng quan nghiên cứu

Viện tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học và Công nghệ Nara (Chủ tịch: Kazuhiro Shiozaki) Giáo sư Tomoya Tsukazaki, Trợ lý Giáo sư Eiki Koga, nghiên cứu sinh (lúc đó), tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học Sinh học, Phòng thí nghiệm tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học Đời sống Kết cấu, Trường Cao học tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học và Công nghệ Tiên tiến Nhóm nghiên cứu do Napatip Lepredacon và Trợ lý Giáo sư Ryoji dẫn đầu Miyazaki, phối hợp với Nhà nghiên cứu cấp cao Hideki Shigematsu thuộc Trung tâm nghiên cứu tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học Photon độ sáng cao và Phó giáo sư Takaharu Mori của Đại học tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học Tokyo, đã làm sáng tỏ cơ chế mà protein ly giải siêu nhỏ LysM của một loại virus lây nhiễm vi khuẩn (bacteriophage, Lưu ý 1) liên kết trực tiếp với protein màng thiết yếu MurJ của Escherichia coli và ức chế sự thay đổi cấu trúc của nó

MurJ là protein màng cần thiết để vận chuyển phân tử tiền chất "Lipid II", một thành phần của thành tế bào, từ tế bào chất ra bên ngoài tế bào chất Nó vận chuyển "Lipid II" bằng cách sử dụng sự thay đổi cấu trúc xen kẽ giữa "cấu trúc hướng vào trong" và "cấu trúc hướng ra ngoài" Mặt khác, LysM là một protein có nguồn gốc từ gen lylic của Levivirus phage M, và là một protein màng nhỏ (peptide) chỉ bao gồm 37 dư lượng axit amin Khi LysM ức chế MurJ, quá trình vận chuyển lipid II tiền chất của thành tế bào bị dừng lại và vi khuẩn không thể tạo ra thành tế bào sẽ không thể tồn tại Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên trên thế giới, chúng tôi đã sử dụng kính hiển vi điện tử đông lạnh (Lưu ý 2) để xác định cấu trúc ba chiều của phức hợp MurJ–LysM và làm rõ cơ chế phân tử mà LysM gắn vào khe hở của MurJ hướng ra ngoài và ngăn MurJ thay đổi cấu trúc của nó

Nghiên cứu này đã làm sáng tỏ cơ chế ức chế của LysM và thu được những kiến ​​thức hữu ích cho việc phát triển thuốc kháng khuẩn Đặc biệt, bằng cách sửa đổi tính đặc hiệu của LysM, có thể khiến nó hoạt động trên nhiều loại vi khuẩn gây bệnh, bao gồm cả vi khuẩn kháng thuốc và thông tin cấu trúc từ nghiên cứu này sẽ dẫn đến sự phát triển của các loại thuốc kháng khuẩn mới

Kết quả của nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học quốc tế “Science Advances” vào thứ Tư, ngày 8 tháng 10 năm 2025 lúc 2 giờ chiều (giờ New York) (DOI:101126/sciadvady8083）。

Bối cảnh và mục đích

Vi khuẩn Eubacteria có thành tế bào bên ngoài màng tế bào giúp duy trì hình dạng của tế bào Nhiều loại kháng sinh, chẳng hạn như penicillin, hoạt động bằng cách can thiệp vào quá trình tổng hợp thành tế bào Quá trình tổng hợp thành tế bào đòi hỏi một phân tử tiền thân gọi là Lipid II, được sản xuất trong tế bào chất và MurJ là một protein màng cần thiết để vận chuyển Lipid II từ bên trong màng tế bào ra bên ngoài MurJ vận chuyển lipid II bằng cách xen kẽ giữa hai trạng thái: trạng thái "hướng vào trong", mở ra hình chữ V về phía tế bào chất hoặc ngoại chất và trạng thái "hướng ra ngoài" (Hình 1)

Mặt khác, một số virus (thực khuẩn) lây nhiễm vi khuẩn có các protein nhỏ phá hủy thành tế bào của vật chủ Đặc biệt, LysM (còn được gọi là SglM), một loại protein gồm 37 axit amin có nguồn gốc từ Levivirus phage M, có tác dụng ức chế MurJ, ngăn chặn sự vận chuyển tiền chất lipid II của thành tế bào và tiêu diệt vi khuẩn bằng cách ngăn chặn sự tổng hợp thành tế bào Tuy nhiên, cơ chế ức chế chi tiết vẫn chưa được biết rõ cho đến nay Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhằm mục đích làm sáng tỏ cơ chế phân tử về cách LysM ức chế MurJ và ngăn chặn sự vận chuyển lipid II, chủ yếu thông qua phân tích cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử cryo (cryo-EM)

Nội dung nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phân tích cấu trúc ba chiều của MurJ và LysM để làm rõ cách LysM liên kết với MurJ và ức chế chức năng của nó Chúng tôi đã tinh chế phức hợp MurJ và LysM (JM (mứt): phức hợp mứt rõ rệt) và xác định cấu trúc ba chiều của phức chất ở độ phân giải 3,09 Å (Lưu ý 3) bằng kính hiển vi điện tử cryo (Hình 2) Trong cấu trúc thu được, MurJ được cố định theo cấu trúc “hướng ra ngoài” và LysM được hiển thị liên kết với lỗ mở theo kiểu hình nêm LysM bao gồm hai vòng xoắn (cấu trúc xoắn ốc) và đã được chứng minh là có một phần nằm sâu bên trong màng và một phần nằm dọc theo bề mặt màng Rõ ràng là LysM đã chèn vào các vết nứt trong cấu trúc hướng ra ngoài của MurJ, ngăn cản MurJ thực hiện những thay đổi về cấu trúc mà nó đáng lẽ phải thực hiện

Hơn nữa, để điều tra xem bộ phận nào của LysM đóng vai trò quan trọng đối với chức năng của nó, chúng tôi đã xác định các dư lượng axit amin cần thiết cho chức năng của LysM thông qua phân tích bằng cách sử dụng các thể đột biến Phân tích cấu trúc cũng xác nhận rằng các gốc axit amin này nằm ở các vùng tiếp xúc trực tiếp

Ngoài ra, so sánh chi tiết với các cấu trúc đã biết cho thấy LysM tương tác với một vùng (TM7) rất quan trọng đối với những thay đổi cấu trúc trong MurJ (Hình 3) Nói cách khác, người ta thấy rằng sự thay đổi cấu trúc của TM7 xảy ra chủ yếu ở G239, nhưng LysM cố định TM7 ở dạng tuyến tính bằng cách liên kết gần G239 Sự liên kết của LysM đã được chứng minh là giúp ổn định MurJ ở dạng hướng ra ngoài

Mặt khác, trong các cấu trúc hướng vào trong được báo cáo cho đến nay, TM7 phần lớn bị uốn cong quanh G239 Sự ổn định này của LysM cũng được hỗ trợ bởi các tính toán động lực phân tử Kết hợp những kết quả này lại với nhau, chúng tôi đã đề xuất một mô hình hành động trong đó LysM ngăn chặn sự vận chuyển lipid II bằng cách cố định sự chuyển động của MurJ, từ đó ức chế sự tổng hợp thành tế bào và ngăn chặn sự sống sót của vi khuẩn

Những phát triển trong tương lai

Nghiên cứu này tiết lộ cơ chế phân tử mà LysM liên kết với MurJ và ức chế chuyển động của nó Kết quả này không chỉ có ý nghĩa lớn trong việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các chất vận chuyển màng cần thiết để vi khuẩn tồn tại mà còn dẫn đến sự phát triển các loại kháng sinh mới nhắm vào MurJ Trong tương lai, dựa trên cơ chế hoạt động này, chúng tôi muốn sửa đổi tính đặc hiệu của vật chủ của LysM và thúc đẩy nghiên cứu phát hiện thuốc về chất ức chế MurJ có thể áp dụng cho nhiều loại vi khuẩn gây bệnh, bao gồm cả vi khuẩn kháng thuốc

Bảng thuật ngữ

Lưu ý 1 Thực khuẩn: Thuật ngữ chung để chỉ vi-rút lây nhiễm và nhân lên trong vi khuẩn Nó có đặc tính xâm nhập vào vi khuẩn và tiêu diệt vi khuẩn chủ trong khi tự nhân lên Có rất nhiều loại khác nhau trong thế giới tự nhiên

Lưu ý 2 Kính hiển vi điện tử đông lạnh: Một phương pháp được sử dụng rộng rãi để phân tích cấu trúc của protein, trong đó mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp và được quan sát bằng kính hiển vi điện tử Điều này đã góp phần rất lớn vào việc phân tích cấu trúc của các protein khó kết tinh, một điều khó đạt được bằng phương pháp tinh thể học tia X

Lưu ý 3 Độ phân giải: Chỉ báo về mức độ chi tiết của một đối tượng có thể được xác định Trong bài viết này, độ phân giải cao đề cập đến giá trị thấp hơn (đơn vị: Å) và càng có thể xác định được nhiều chi tiết hơn

Bài báo đã xuất bản

Tiêu đề

Protein ly giải phage LysM hoạt động như một cái nêm để ngăn chặn những thay đổi về hình dạng của MurJ
(Protein ly giải của phage LysM hoạt động như một cái nêm để ngăn chặn những thay đổi về hình dạng ở MurJ)

Tác giả

Hidetaka Kohga, Napathip Lertpreedakorn, Ryoji Miyazaki, Sixian Wu, Kaito Hosoda, Hiroyuki Tanaka, Yutaro S Takahashi, Kunihito Yoshikaie, Yutetsu Kuruma, Hideki Shigematsu, Takaharu Mori và Tomoya Tsukazaki
(Eiki Koga, Napathip Lertpreedakorn, Ryoji Miyazaki, Si-xian Wu, Hiroyuki Tanaka, Yutaro Takahashi, Kaito Hosoda, Kunihito Yoshikai, Kiyoshi Kuruma, Hideki Shigematsu, Takaharu Mori, Tomoya Tsukazaki)

Tạp chí đã xuất bản

Tiến bộ tỷ lệ kèo nhà cái hôm nay học

DOI

101126/sciadvady8083