铜绿假单胞菌脂肪酸代谢研究新突破：揭示关键酶奥秘

时间：2025年3月9日

来源：Nature Communications

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为探究铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）脂肪酸代谢，研究人员聚焦 FadE1 和 FadE2，明确其功能及调控机制，助力药物研发。

在人体的微观世界里，铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa，简称 PA）就像一群伺机而动的 “小怪兽”，尤其喜欢在囊性纤维化（Cystic Fibrosis，CF）患者的气道中搞破坏，给患者的健康带来极大威胁。气道中的表面活性剂富含长链脂肪酸，成为 PA 的 “能量大餐”，它们依靠脂肪酸代谢获取能量，不断繁衍作恶。然而，一直以来，科学家们对 PA 的脂肪酸代谢机制了解有限，特别是在 β- 氧化途径中起关键作用的脂肪酸酰基辅酶 A 脱氢酶（FadE），其具体成员及功能并不清楚。这就好比在一场关键战役中，敌人的重要武器和战术不明，使得我们难以制定有效的 “作战计划” 来对抗 PA 感染。

为了揭开 PA 脂肪酸代谢的神秘面纱，来自英国剑桥大学、芬兰东芬兰大学等多个研究机构的科研人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们了解 PA 的代谢机制以及开发新的治疗策略提供了重要线索。

研究人员采用了多种先进的技术方法来开展研究。在蛋白质组学分析方面，他们运用串联质量标签蛋白质组学（tandem mass-tag proteomics）技术，对在不同脂肪酸环境下生长的 PA 临床分离株进行蛋白质表达谱分析。同时，通过基因编辑技术构建了 fadE1 和 fadE2 基因缺失突变体，以探究这两个基因在脂肪酸代谢中的功能。此外，利用 X 射线晶体学（X-ray crystallography）技术解析 FadE1 和 FadE2 的蛋白质结构，结合分子动力学模拟（molecular dynamics simulations）等手段，深入研究其底物特异性的分子基础。在感染模型实验中，选用大蜡螟（Galleria mellonella）幼虫作为实验对象，评估突变体的毒力变化。

研究结果主要有以下几方面：

FadE1 和 FadE2 的鉴定与表达：通过蛋白质组学分析发现，在以脂肪酸为碳源的培养基中生长时，PA 中的两个潜在脂肪酸酰基辅酶 A 脱氢酶 PA0506（命名为 FadE1）和 PA0508（命名为 FadE2）表达显著上调。转录融合实验进一步证实，在脂肪酸存在的情况下，fadE1 和 fadE2 启动子的表达被诱导。这表明 FadE1 和 FadE2 在 PA 利用脂肪酸进行生长的过程中可能发挥重要作用。
FadE1 和 FadE2 对脂肪酸代谢及毒力的影响：构建的 fadE1 和 fadE2 基因缺失突变体实验显示，ΔfadE1 突变体在长链脂肪酸（≥12 个碳原子）底物上生长受损，而 ΔfadE2 突变体在中链脂肪酸（≤12 个碳原子）底物上生长受影响，双突变体 ΔfadE1 ΔfadE2 在长链和中链脂肪酸上的生长均受到更明显的抑制。在大蜡螟幼虫感染模型中，ΔfadE1 和 ΔfadE1 ΔfadE2 突变体的毒力显著降低，这说明 FadE1 和 FadE2 不仅参与脂肪酸代谢，还与 PA 的毒力密切相关。
FadE1 和 FadE2 的底物特异性及结构基础：分析纯化后的 FadE1 和 FadE2 发现，它们在溶液中可能以二聚体形式存在。酶活性测定结果表明，FadE1 对长链（C16、C18）和中链（C8、C6）脂肪酸酰基辅酶 A 底物均有脱氢酶活性，且更倾向于长链底物；而 FadE2 仅对中链底物有活性。通过 X 射线晶体学解析 FadE1 和 FadE2 的结构发现，二者整体折叠相似，但底物结合口袋存在差异。FadE1 的底物结合腔较深，能够容纳长链底物；FadE2 的底物结合腔在中间被 Met130、Glu296 和 Gln303 三个氨基酸残基的侧链阻塞，只能容纳最多 8 - 10 个碳原子的酰基链底物。通过定点突变实验，将 FadE2 中阻塞底物结合腔的残基替换为 FadE1 中的相应残基（M130G、E296A、Q303A），突变后的 FadE2 能够利用长链脂肪酸酰基辅酶 A 底物；同样，对 FadE1 进行突变（G129M、A295E），使其底物结合位点更像 FadE2，可改变其对底物的选择性，增加对 C8 - CoA 的偏好。这表明通过改变关键氨基酸残基，可以实现对 FadE1 和 FadE2 底物特异性的调控。
FadE1 作为药物开发靶点的潜力：鉴于脂肪酸代谢在 CF 感染中的重要性，研究人员探究了 FadE1 和 FadE2 作为药物开发靶点的可能性。通过分子对接和酶抑制实验发现，FadE1 和 FadE2 的脂肪酸结合口袋都具有较高的可成药性潜力，且 FadE1 的活性位点有更大的可成药口袋。在测试的化合物中，化合物 H 对 FadE1 和 FadE2 均有抑制活性，且对 FadE1 的抑制效果略强于 FadE2，对不同链长底物的抑制作用存在差异。这为开发针对 PA 脂肪酸代谢的靶向药物提供了理论依据。

研究结论和讨论部分指出，PA 在 β- 氧化途径中主要依赖 FadE1 和 FadE2 这两种脂肪酸酰基辅酶 A 脱氢酶。FadE1 具有较宽的底物特异性，能利用长链和中链脂肪酸酰基辅酶 A 底物；FadE2 则专一性地利用中链脂肪酸酰基辅酶 A 底物。二者的催化效率比结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）中的 FadE5 更高，在高脂肪酸通量的感染环境中，共同确保 PA 对脂肪酸的最佳降解。通过对其结构和功能的研究，不仅揭示了底物特异性的分子基础，还实现了对底物特异性的人工调控。此外，发现 FadE1 和 FadE2 可被小分子化合物差异抑制，为以 PA 脂肪酸代谢为靶点的治疗策略开发开辟了道路。同时，研究还发现 FadE1 和 FadE2 在进化上存在差异，其 CII 结构域的选择压力不同，这可能暗示它们与不同的膜结合蛋白相互作用，后续研究可进一步探索其在膜上的作用机制。

总的来说，这项研究深入解析了铜绿假单胞菌脂肪酸代谢中关键酶 FadE1 和 FadE2 的功能、结构及调控机制，为理解 PA 的感染机制提供了新视角，也为开发针对 PA 感染的新型治疗方法奠定了重要基础。未来，有望基于这些发现，开发出更有效的抗菌药物，为囊性纤维化患者等受 PA 感染困扰的人群带来新的希望。