Sci Adv：解密细菌能量桥！武汉大学张郑宇/董长江解析TolQRA纳米机器结构，阐明质子动力跨膜传递

TolQRA是质子驱动力家族的关键成员，该家族包括MotAB和ExbBD，其功能是将质子驱动力从内膜传递至细菌外膜。这一机制弥补了革兰氏阴性菌外膜区室中常规能量来源的缺失。

2026年3月6日，武汉大学张郑宇和董长江共同通讯在Science Advances 在线发表题为“Structural basis of outer membrane biogenesis and cell division by Tol/Pal nanomachinery”的研究论文。该研究通过冷冻电镜技术解析了TolQRA复合物在pH 5.4和pH 8.0条件下的结构，分辨率分别为3.18 Å和3.60 Å。

结果表明，TolQRA复合物具有5:2:5的化学计量比，且关键残基介导了TolQ、TolR与TolA之间的交互作用。值得注意的是，该纳米机器呈现不对称排列，这可能与质子核转位及能量转移的双闸门机制相符。这些发现阐明了TolQRA的能量传递机制，并与ExbBD-TonB及MotAB系统具有相似性。此外，本研究为开发靶向关键TolQRA复合物的创新疗法奠定了基础。

革兰氏阴性菌具有两层膜结构，即外膜（OM）和内膜（IM），两者之间的水溶液周质中存在着肽聚糖层。外膜在营养摄取、生物膜形成、细菌运动、致病性、耐药性以及在不同环境因素中的生存等方面发挥着关键作用。然而，周质中不含三磷酸腺苷，且外膜缺乏质子驱动力（PMF），这对外膜执行上述功能构成了巨大挑战。一种异源寡聚纳米机器——TolQRA复合物——横跨革兰氏阴性菌的周质，与周质蛋白TolB及外膜蛋白Pal相互作用。这五种蛋白质共同构成了Tol-Pal系统。该系统最初被鉴定为与大肠杆菌素导入相关的蛋白，继而被发现与丝状噬菌体向细胞质的核转位有关。研究证实，Tol-Pal系统在细菌细胞分裂过程中的外膜内陷、外膜生物合成、致病性与耐药性等方面起着关键作用，是药物和疫苗开发的重要靶点。

大多数革兰氏阴性菌拥有Tol-Pal系统。该系统通过TolB-Pal将质子跨内膜向内运输所产生的质子驱动力能量传递至外膜和肽聚糖层。在大肠杆菌中，TolQ、TolR和TolA在内膜上形成一个蛋白质纳米机器。TolQ包含230个残基，形成三个跨膜（TM）螺旋；TolR由141个氨基酸组成，形成一个N端跨膜螺旋和一个C端结构域；而TolA则由421个残基构成，分为一个N端跨膜螺旋、一个包含两个螺旋的连接结构域以及一个球状C端结构域。Pal是一种由173个残基组成的脂蛋白，包含一个N端环和一个C端结构域，通过其N端脂质部分锚定在外膜上，该脂质部分对其功能至关重要。TolB是一种可溶性周质蛋白，可与Pal相互作用形成复合物。总体而言，这两套机器横跨内膜、周质和外膜，传递着关键基础生物学过程所需的能量。

TolQRA原理图（图片源自Science Advances ）

目前已报道的结构包括：TolB及其与Pal复合物的晶体结构、TolB与大肠杆菌素E9肽段复合物的晶体结构、TolA C端结构域与大肠杆菌素A N端肽段复合物的晶体结构、TolA C端结构域结合TolB N端肽段的核磁共振结构，以及大肠杆菌素E9外膜转位子的冷冻电镜（cryo-EM）结构。这些结构揭示，TolB能够结合Pal、大肠杆菌素E9和TolA，而TolA则可结合TolB和大肠杆菌素A。细胞生物学研究表明，Tol-Pal系统利用质子驱动力将Pal和TolQ转运至分裂隔膜处。

最近，一项研究报道了分辨率为4.3 Å的TolQR冷冻电镜结构，显示TolQ与TolR的化学计量比为5:2。然而，目前提出的Tol-Pal分子机制主要基于对TolQR同源系统（如ExbBD和MotAB）的研究，这些研究提出了定子和转子的模型。ExbBD和MotAB的分子化学计量比均为5（ExbB/MotA）和2（ExbD/MotB），并分别利用质子驱动力主动摄取营养物质和驱动鞭毛旋转。尽管在理解Tol-Pal系统方面已取得显著成果，但TolQR如何通过TolA将质子驱动力从内膜传递出去的机制仍不清楚。

本研究报道了大肠杆菌TolA、TolQ和TolR蛋白质复合物在pH 5.4和pH 8.0条件下的冷冻电镜结构，分辨率分别为3.18 Å和3.60 Å，分别模拟了质子化状态和静息状态下的TolQRA机器。结合定点突变、功能实验以及颗粒三维（3D）变异性分析，作者初步提出：质子可能通过一个涉及两个门控的、假定的交替开闭机制，促进TolQRA将能量传递至外膜。该研究结果为理解Tol-Pal系统如何调控细菌细胞分裂、外膜生物合成和耐药性提供了一个框架，并为理解TolQRA相关的ExbBD-TonB和MotAB机器的功能与机制提供了见解。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6719