文章信息

文章题目：The β-d-manno-heptoses are immune agonists across kingdoms

期刊：Science

发表时间：2024年8月9日

主要内容：中国科学院微生物研究所陈义华研究团队与北京生命科学研究所邵峰团队和微生物研究所吴边研究团队，在Science杂志上发表了文章The β-d-manno-heptoses are immune agonists across kingdoms，该研究发现多种NDP-甘露庚糖是跨界分布的免疫激动剂，拓展了NDP-甘露庚糖分布的广泛性和种类的多样性，为后续研究其在不同生命体中的生理功能奠定基础。

原文链接：http://doi.org/10.1126/science.adk7314

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研究背景

ADP-D-甘油-β-D-甘露庚糖（ADP-甘露庚糖）是脂多糖核心结构的合成前体，后者是细菌细胞壁的重要组成成分。ADP-甘露庚糖来源于戊糖磷酸途径的中间体景天庚酮糖7-磷酸，经异构化、磷酸化、去磷酸化及核苷转移四步反应合成。基于结构域的不同，NDP-甘露庚糖核苷转移酶分为三类：以HldC为代表的单功能域核苷转移酶，以HldE为代表的双功能激酶/核苷转移酶和以SepB为代表的三功能域异构酶/激酶/核苷转移酶。前两类核苷转移酶在革兰氏阴性细菌中普遍存在。当前，对于NDP-甘露庚糖合成酶的认识局限于细菌，非细菌来源的NDP-甘露庚糖合成酶还没有被发现。

文章概述

研究团队通过生物信息学分析发现，三类NDP-甘露庚糖核苷转移酶广泛分布于细菌、古菌、真核生物甚至病毒中。前期研究表明，负责NDP-甘露庚糖合成的第三步磷酸水解酶在有些细菌中不是必需的，加上有的物种基因组测序不完整，作者推测可能有更多的生物含有完整的NDP-甘露庚糖合成路径。 

NDP-甘露庚糖合成酶分布的广泛性暗示其不仅仅只能合成ADP-甘露庚糖，也有可能合成其他种类的甘露庚糖代谢产物。作者通过体外酶学实验证实，来源于病毒、古菌、细菌及真核生物的NDP-甘露庚糖合成酶都能够合成ADP-甘露庚糖，同时发现来源于放线菌的三功能蛋白Cth-2和来源于软蛤的双功能蛋白HldEMA还能够合成新结构的CDP-甘露庚糖。文献调研表明，NDP-甘露庚糖核苷转移酶结构域中一段保守的(F/L)XXGXSTT（STT）特征序列参与NTP的结合及稳定核苷转移反应的中间态。当STT序列中的第五位为精氨酸时，作者将该序列命名为STT_R5。对Cth-2的核苷转移酶功能域进行结构模拟及分子对接分析表明，STT_R5序列于Cth-2稳定ATP和CTP非常重要。

作者发现，除第五位氨基酸外，三功能域NDP-甘露庚糖合成酶Sa-4 (⁶⁴⁸YVSGHSTT)和Be-6 (⁶⁸⁸YLDGHSTT)的STT特征序列与Cth-2 (⁷⁰⁷YVDGRSTT) 非常相似，但Sa-4和Be-6只能合成ADP-甘露庚糖。基于STT_R5序列对Cth-2结合NTP的重要性，作者进行了对Be-6及其突变体Be-6*(H692R)与不同NTP底物结合的分子动力学模拟，实验结果表明，Be-6*(H692R)结合不同NTP的机制与Cth-2识别ATP和CTP的作用机制类似，解释了Be-6*(H692R)能够识别CTP和UTP的机制。

回溯分析发现，能够识别CTP的HldE_MA和来源于类鼻疽伯克氏菌的HldC_BP均含有STT_R5 (¹⁴⁶FEHDRSTT) 特征序列。生物信息学分析显示，含有STT_R5的NDP-甘露庚糖核苷转移酶广泛分布于真核生物、古菌以及细菌中，主要分布于细菌中的变形菌门和放线菌门。其中，含STT_R5的单功能域NDP-甘露庚糖核苷转移酶主要分布于伯克氏菌目。随后，作者鉴定了一系列跨界来源的NDP-甘露庚糖核苷转移酶及其突变体，结果显示，STT_R5特征序列是NDP-甘露庚糖核苷转移酶具有NTP底物宽泛性的充分，但非必要条件。

作者通过模拟大肠杆菌生理条件下（ATP 3.5 mM、CTP 0.3 mM、UTP 0.7 mM），测试细胞内NDP-甘露庚糖的浓度，结果显示，在模拟条件下，绝大部分的NDP-甘露庚糖合成酶都能够合成前述酶学反应（NTP浓度都为2 mM）中相同类型的NDP-甘露庚糖，且产量不低。随后，作者进一步探究了CDP-和UDP-甘露庚糖是否也能够激活天然免疫，通过解析ALPK1与CDP-甘露庚糖的共晶结构及结构模拟分析ALPK1与UDP-甘露庚糖的结合方式、体外TIFA磷酸化实验以及293T和BMDM小鼠细胞实验表明，CDP-和UDP-甘露庚糖都能够激活NF-κB，强度明显高于ADP-甘露庚糖。在随后的小鼠水平验证研究发现ADP-、CDP-和UDP-甘露庚糖都能够激活NF-κB介导的细胞因子的释放。相比于ADP-甘露庚糖，CDP-和UDP-甘露庚糖能够在血清中引起更高水平的GRO-α及MCP-1等细胞因子的表达。

最后，作者对NDP-甘露庚糖的受体ALPK1的分布进行了细致分析。ALPK1的同源蛋白保守存在于脊椎动物中，主要存在于鸟类和哺乳动物中，不同来源的ALPK1都能够识别ADP-甘露庚糖，进而激活NF-κB。此外，作者发现，TIFA的同源蛋白也保守分布于脊椎动物中。比较跨界分布的NDP-甘露庚糖合成酶及ALPK1的分布，作者猜测，在后口动物丧失合成NDP-甘露庚糖的能力后，一些脊椎动物如哺乳动物，进化出了ALPK1作为模式识别受体以识别跨界来源的NDP-甘露庚糖分子。

综上所述，该研究拓展了NDP-甘露庚糖分布的广泛性和种类的多样性，发现多种NDP-甘露庚糖是跨界分布的免疫激动剂，为后续研究NDP-甘露庚糖在不同生命体中的功能奠定了基础。

NDP-甘露庚糖是跨界分布的免疫激动剂

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使用PerfectStart^® Taq DNA Polymerase (AP401)产品发表的部分文章：

● Tang Y, Tian X Y, Wang M, et al. The β-d-manno-heptoses are immune agonists across kingdoms [J]. Science, 2024.