细菌多糖的生物合成机制_陈蕾蕾

微生物学报ActaMicrobiologicaSinica50（12）：1583－1589；4December2010ISSN0001－6209；CN11－1995/Qhttp：//journals.im.ac.cn/actamicrocn

细菌多糖的生物合成机制

陈蕾蕾，王未名，祝清俊，杜方岭

（山东省农业科学院农产品研究所，济南

250100）

摘要：近些年来，细菌多糖因其重要的医学价值和工业用途引起了人们的广泛关注。随着细菌基因组的不断测序，众多与细菌多糖合成相关的基因簇被发现。不同多糖合成基因簇的比对分析结果表明，尽管自然界中多糖的结构复杂多变，但是它们的合成机制却是相对单一的。本文就当前国际国内不同细菌多糖的合成机以及多糖合成途径中相关糖基转移酶和聚合酶的研究进展进行了论述。制，

关键词：细菌多糖；糖基转移酶；聚合酶；Wzy依赖途径中图分类号：Q935

文献标识码：A

6209（2010）12-1583-07文章编号：0001-糖生物学研究领域一个很好的研究对象。随着细菌众多多糖合成基因簇被发基因组的不断测序，现

［3－4］

PS），多糖（polysaccharide，又称多聚糖，是由至失水而连接起来的均少十个以上的单糖单位缩合、

聚物或共聚物，是一类广泛存在于自然界中的生物在细胞间相互作用、信体产生的独特的生物大分子，

号转导、免疫反应等许多生理生化过程中都发挥着重要作用。根据组成，多糖可以分为均多糖和杂多糖，前者指只有一种单糖组成的多糖，一般是构成植和各种生物能源的主要来源。物和动物骨架的材料，

后者指由两种或两种以上的单糖组成的多糖。杂多糖因其结构的复杂性具有更广泛的功能，它们是细是病原细菌的主要致胞壁和胞外基质的主要组分，

病因子，并且在细胞发育和细胞的相互识别中担任着重要的角色

［1］

。不同糖合成基因簇的比对结果证明尽管自

但是它们的合成机制然界中多糖的结构复杂多变，

却是相对单一的。了解多糖合成途径的分子机制可以帮助我们改变多糖的结构，改善多糖的理化性质，研究多糖结构和功能的相互关系，从而最终利用细胞机器合成出具有不同功能的多糖。

1细菌多糖的种类和结构

按形态学上的分类，可以把细菌多糖分为3种

类型：细胞壁多糖，位于细胞壁层；细胞外多糖，位于细胞壁外，即介于细胞与细胞之间；细胞内多糖，位于原生质膜内侧或作为原生质膜的组分。1.1

O-antigen）抗原（O-O-抗原是一类典型的细胞壁多糖，它是细菌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的重要组成部分，还是许多病原细菌的致病因子

［5］

。

［2］

近些年来，细菌多糖因其重要的医学价值和工业用途引起了人们的广泛关注

。病原细菌的表

面多糖一直被认为是主要的致病因素，它介导病原菌对宿主的识别和黏着，促进生物膜的形成从而抵抗宿主免疫系统的攻击。据此针对由病原细菌引起的许多传染性疾病，比如肺炎、脑膜炎和脓血症等，多糖疫苗被开发研究，有些已投入临床使用。细菌可以用作稳定剂、乳化多糖还具有重要的工业用途，

剂和胶凝剂等。此外，细菌多糖还是碳水化合物和

基金项目：农业部948项目（2009-Z39）

。O-抗原由许多含

3-6个单糖的重复单元（O-unit）组成，单糖的组成、排列以及单糖之间和单元之间连键的多样性导致了O-抗原结构的复杂变化，而许多单糖上的乙酰化、糖基化、硫酸化等修饰残基又增加了O-抗原结构的复

531-83179137；Fax：+86-531-88960332；E-mail：[email protected]通信作者。Tel：+86-

作者简介：陈蕾蕾（1982－），女，山东济南人，助研，博士，微生物学专业，从事微生物多糖的研究。E-mail：[email protected]收稿日期：2010-03-23；修回日期：2010-08-13

1584LeileiChenetal./ActaMicrobiologicaSinica（2010）50（12）

杂性。这种结构上的复杂性后来成了细菌分型（serotyping）的重要依据，到目前为止大肠杆菌中已

［6］报道的就有186种O-serotype。

糖醛酸磷壁酸质（革兰氏阳性菌含有）。

2细菌多糖的生物合成途径

尽管多糖的结构千变万化，但是它的合成途径

1.2EPS）

细胞外多糖（extracellularpolysaccharide，广义的细胞外多糖包括两个部分，荚膜多糖

却是相对一致的，即通过不同的糖基转移酶（Glycosyltransferases，GTs）将单糖从糖核苷酸供体上顺序性转移而装配到脂类载体上形成一个个重复单元，随后这些重复单元被聚合和输出，形成细胞外多糖。典型的多糖合成基因簇一般包括糖核苷酸合糖基转移酶基因和多糖合成调节基因。成相关基因、

总的合成过程可以分为3个步骤：（1）糖合成的起始（initiationreaction）；（2）糖重复单元的延伸、翻转和聚合（theelongation/translocation/polymerizationofrepeatingunits）；（3）多糖的输出（exportofpolysaccharide）。下面就主要的细菌多糖即：O-抗原（O-antigen）、荚膜多糖（CPS）以及胞外多糖（EPS）的生物合成过程分别做一概述。2.1

O-抗原的生物合成

O-抗原是在连接到脂类A-核心组装成细菌脂多糖之前单独合成的。参与O-抗原组装的基因呈簇状排列，在大肠杆菌（Escherichcoli）和肠炎沙门菌（Salmonellaenterica）中位于基因galF与gnd之间

［8］

（capsularpolysaccharides简称CPSs）和胞外多糖（EPSs）。它们的区别在于，CPSs是以分散的荚膜形式与微生物细胞紧紧相连，而EPSs则作为黏液分泌出去不与细胞表面相连。CPSs和EPSs是很难区分的，因为CPSs通常会失去与细胞膜的结合而溶到介质当中。荚膜多糖是通过共价键连接到磷脂或lipid-A从而附着到细胞表面的，一般是线性多糖，包括许多重复单元。荚膜多糖高度水合，含有许多取代基比如乙酰基、酰基、磷酸基和硫酸基。在由细CPS是主要的毒力因子。菌引起的感染性疾病中，

比如，可以引起肺炎、脑膜炎等人类致死性疾病的重要病原菌肺炎链球菌，该菌可以表达合成90多种结构不同的荚膜多糖

［7］

。

大多数细菌胞外多糖是由一个单糖单位组成的或者是由两到八个单糖构成的有规则重复同多糖，

单位的杂多糖。EPS由范围极广的单糖组成，而目前只发现了其中一小部分。这些单糖包括D-D-半乳糖和D-甘露糖等。主要发现的细菌葡萄糖、

高聚物由己糖或者甲基戊糖（通常为L-海藻糖或L-鼠李糖）与糖醛酸构成，最常见的糖醛酸是D-葡萄糖醛酸和D-半乳糖醛酸。除了鞘中或与蓝细菌相关的其他胞外多糖外，戊糖在细菌中较为少见。某些种属产生的EPS所含的氨基糖通常是乙酰氨基己糖胺的衍生物，其它则含有O-甲基戊糖。细菌多糖中存在酰基、磷酸基和硫酸基等无机取代基，并且在海洋胞外多糖中较为常见。热液口微生物分泌的胞外多糖与其他生态环境中微生物分泌的胞外多糖的结构不同，表现在糖醛酸含量高（达10%－40%）和高度乙酰化上，使得这些多糖粘度较高，对金属离子、微生物菌体自身以及蛋白颗粒具有较强的结合能力。因此，热液口微生物分泌的胞外多糖对于微生物适应深海热液口的极端环境具有重要的意义。1.3

细胞内多糖（intracellularpolysaccharide）细菌细胞含有许多不同的多糖结构，构成了细胞的不同形状和刚性。这些多糖结构包括肽聚糖（由重复的N-乙酰-D-氨基葡萄糖单元和单一的N-乙酰-D-胞壁酸组成，发现几乎所有的真细菌都含有此结构）、脂多糖（革兰氏阴性菌含有）、胞壁酸以及

，O-抗原的生物合成过程可以分为3步。

（1）起始（initiation）：细胞质中存在大量的糖起始反应是发生在细胞膜的胞质面，这一步核苷酸，

在整个多糖的合成过程中是比较保守的。以糖核苷酸为糖供体，位于细胞膜上的脂载体十一异戊烯磷由起始糖基转移酶（initial酸（Und-P）为糖受体，

glycosyltransferase，IT）催化，形成Und-PP-连接的糖复合物。IT是膜蛋白，根据拓扑学结构的不同分为两类

［9］

。一类属于PNTP蛋白家族，12个含有10-

O-抗原合成以及主要参与糖基化过程、穿膜结构域，

ECA（Enterobacterialcommonantigen）的合成，典型1-P转移酶（GlcNAc-1-P代表是葡萄糖酰胺-transferase）WecA。WecA是一个膜蛋白，含有12个穿膜结构域，其催化反应见图1-A。WecA是首先在ECA的合成途径中被发现的，随后的研究证明它也

［10］

。另一类IT可以催化O-抗原合成的起始反应

属于PHTP蛋白家族，含有5－6个穿膜结构域，主CPS以及部分ECA的合成，要参与EPS、典型代表1-P转移酶（Gal-1-Ptransferase）WbaP。是半乳糖-WbaP也是膜蛋白，含有6个穿膜结构域，催化反应见图1-B。WbaP是从沙门氏菌中分离得到的，随后在许多EPS和CPS的合成系统中，与WbaP具有相似功能相似结构的同源酶陆续被发现，它

陈蕾蕾等：细菌多糖的生物合成机制./微生物学报（2010）50（12）1585

1-P或半乳糖-1-P的能力们都具有转移葡萄糖-

（图1）［11－12］

。

图1起始糖基转移酶WecA和WbaP催化的化学反应方程式

Fig.1

ReactioncatalyzedbyinitialtransferaseWecAandWbaP.

（2）糖重复单元的延伸、翻转和聚合（elongation/translocation/polymerization）这是糖单元根据这一过程中糖单元装配方式合成的主要过程，

这一途径可以分为三类：以及翻转机制的不同，Wzy-dependent，ABC-transportersynthase-dependentpathway。

Wzy-dependentpathway：这一途径主要发生在O-抗原的合成过程中。起始反应之后，不同的单糖残基陆续被加到Und-PP-sugar中间产物上形成O-units。单糖残基之间的连接是通过特定的糖基转移酶催化的，这些糖基转移酶是可溶性的或是位于胞质空间的膜蛋白，每个单糖单元通过翻转酶（flippase）Wzx从细胞膜的胞质面翻转到外周质（periplasm）空间，然后通过聚合酶（polymerase）Wzy聚合形成一个长链O-抗原，最后连接到脂类A的核心区域

［8］

不同物种来源的Wzy具有很低的氨基酸序膜区域，

列同源性。Wzy是阐明O-多糖生物合成机制的关采用酶化学法合成的O-unit底物，结合对Wzy键酶，

Wzy的聚合功能及其与Wzz的相互作的异源表达，

用在体外试验中得到了证实

［17］

dependent和。O-抗原的链长是

Wzz的一级由Wzz来调节的。相较于Wzx和Wzy，

序列具有相对较高的同源性。Wzz在C-端和N-端并在周质空间内有一个大的亲各有一个跨膜片段，

水环，经晶体结构解析此亲水环主要是α-螺旋结构

［18］

。Wzz蛋白体内聚合成六聚体，然后通过微弱

［19］

地改变自身的结构，在聚合酶Wzy和剪切酶WaaL等组装成复合体的过程中行使分子伴侣的功能

。

Wzz蛋白质属于‘PolysaccharideCo-Polymerases’（PCP）超家族，这个家族的成员参与包括O-抗原、荚膜多糖以及胞外多糖在内的多糖的链长调控。由于O-抗原的形态可以通过SDS-PAGE以及随后的Wzz成为研究多糖链长调控机银染很容易被观察，制的最好模型。

ABC-transporterdependentpathway：到目前为止，这种途径仅在E.coliO8，O9，O52和KlebsiellapneumoniaeO1andO12中观察到［20－22］。在这种途径中，初生的O-多糖链的合成是在细胞内膜的胞质空间面完成的。以WecA介导的多糖合成起始之后，特定的糖基转移酶加入一个糖残基作为Und-PP-GlcNAc和重复单元结构域间的接头。后续的链延伸是通过向Und-PP-linked受体的非还原端渐进性转移单糖残基完成的。聚合作用之后，初生2亚家族实的O-糖基链依赖ABC运输蛋白的ABC-2运输蛋白是由膜整合蛋现穿越内膜的转位。ABC-白Wzm和含有ATP-结合基序的可溶性蛋白Wzt组Wzt经诱导其构成。据报道，在ATP水解的过程中，型发生变化，从而导致了其与Wzm间的相互作用，随后引导糖多聚体跨越细胞膜

［20，23］

。聚合反应包括将初生糖单元从Und-PP

［13－14］

脂载体上转移到Und-PP-O-units，然后由Wzz控制增加的糖单元的数量

。多糖的运输和组装过

程中至少需要三种酶（Wzx，Wzy和Wzz）的参与。根据预测的疏水性和拓扑结构，可将Wzx蛋白质归为含有11或12个跨膜片段的一类膜整合蛋白家族。Wzx蛋白质具有很低的核酸序列同源性，其可作为区分不同O-serotypes类型的一个特殊基因标志。Wzx缺失菌株能促成O-unit中间产物在内膜的细胞质侧积累，表明Wzx蛋白质具有翻转酶flippase的功能

［15］

。据推测，Wzx蛋白质可以利用质子或电

子梯度作为能源，将Und-PP-linkedO-units转运至细胞膜内膜的周质空间侧。进一步的实验研究证明了Wzx的功能不依赖于整个O-unit的化学结构，但是其需要对第一个Und-PP-linked的糖进行识别

［16］

。在Und-PP-linkedO-units转位至周质空间的

Wzy负责将O-units聚合到成糖多聚体。过程中，

Wzy蛋白质是一种膜整合蛋白，具有11－13个的跨

。

1586LeileiChenetal./ActaMicrobiologicaSinica（2010）50（12）

Synthase-dependentpathway：这种途径仅在Salmonellaenterica质粒编码的O54抗原（ManNAc的均聚体）的合成中报道过

［24］

的多。Wzc蛋白质是群组1荚膜多糖的调控蛋白。其与Wzz具有相似的拓扑结构，但是Wzc具有携带ATP-结合基序和酪氨酸-富集区的C-端细胞质结构域，从而使其区别于Wzz。Wzc功能要求其在磷酸化和去磷酸化形式间的循环，这一循环是由Wzb完成的

［28－29］

。这种途径的作用原

理类似于ABC运输蛋白-依赖型途径，除了前者具有一个合成酶之外，该合成酶似乎能通过渐进机制进而导致多糖链的延伸并伴随初生催化聚合反应，

的多聚体同时地跨越细胞膜。这个合成酶具有两个独立的但是保守的结构域。一个结构域负责糖残基的渐进性转移，其结果导致链的延伸，另一个结构域与介导初生多糖穿越内膜的转位有关。

（3）终止和连接（TerminationandLigation）：对3种延伸/聚合途径来说，连接步骤是共有的，并且其需要O-抗原转移到初生的LipidA/core。连接的机制仍然是LPS组装中未解决的重要问题之一。WaaL蛋白质（或“连接酶”）是现在已知的参与连接的唯一蛋白质，但是有关过程或对其它细胞因子的需求方面的信息仍然很少

［25］

。Wzc蛋白已知为寡聚体。运用低温电，结果表明Wzc形成具有C4旋转对称

Wzc的结构在14 分辨率上镜技术和单颗粒分析，解析出来

［30］

区形成一个连性的四聚体复合物。上面的“crown”

“roots”“crown”续的密度环，并且4个不连接的从的Wzc的精确由于低的分辨率，下侧显露出来。但是，

功能和催化结构域仍然未知。E.coli群组1荚膜是由分子量超过100KDa的多糖重复单元形成的。Wza在群组1荚膜的分泌过程中是必需的。Wza是一个高度保守的多聚体外膜蛋白

［31］

。通过交联实

Wzc与Wza间的相互作用被鉴定出来［32］，验，并且用于最近分离的包含Wzc和Wza的高度有序结构，Cryo-EM结构研究，将为群组1荚膜组装系统的结构和功能提供重要信息。

群组2和3荚膜的合成基因在serA附近成簇排列

［33］

。WaaL为膜整合蛋

具有较低的氨基酸序列相似性。已有文献报道白，

WaaL蛋白质缺乏分辨供体结构的能力，这表明其

［26］

。识别Und-P载体而不是Und-P载体上结合的糖

但是，连接活性的发挥仍需要特异性的脂类A-核心寡糖受体结构，并且WaaL蛋白被认为依赖于这种受体的特异性。2.2

荚膜多糖的生物合成

荚膜多糖的生物合成由一大簇基因编码，基因转录成单个多顺反子mRNA，并簇通常是单向排列，

协调表达。细菌中大量的荚膜基因簇已经被克隆出其中E.coli来源的荚膜基因簇已经被广泛地研来，

究。E.coli能够产生80种不同的荚膜分型，这些荚膜分型可归于4个群组。群组1和4有共同的装配系统，群组2和3组成一个不同的体系。群组1和4的CPS以两种不同的形式在细胞表面进行表达。一种形式与lipidA/core连接，称为KLPS，另一种是高分子量的荚膜K抗原。

群组1和4抗原的荚膜和KLPS形式具有共同的Wzy-依赖型的过程来合成O-抗原。Und-PP-linked的重复单元是在内膜与细胞质的界面上合成的。随后脂类-连接的单元通过Wzx转移出内膜，并且通过Wzy以将生长链从und-PP载体转移至新的脂类-连接的单元的方式实现聚合

［27］

。基因wzx和wzy的缺失反映出群组2和3荚

膜与群组1和4荚膜的合成机制存在根本的差别。起始阶段需要一种未知的内源性受体的参与，并且链的延伸需要渐进性糖基转移酶。多聚体在非还原端的延伸构成了群组2荚膜的保守特征。多聚体通过ABC转运蛋白转运出去。功能性的荚膜转运蛋KpsM和KpsT［34－35］。其它白被认为含有两个亚基，

的蛋白质也涉及参与输出过程，但是细节仍然不清楚。2.3

胞外多糖的生物合成

EPS的生物合成类似于O-抗原和群组1和4CPS的Wzy-依赖型途径。在EPS的生物合成系统中，也发现了Wzx，Wzy，和Wzz的同源物。近年来，越来越多的细菌中参与EPSs生物合成的基因簇被克隆和鉴定，其中包括参与革兰氏阴性菌的EPSs（诸如xanthan，acetan，sphinganS-88等）合成的基因簇，以及参与革兰氏阳性菌诸如乳酸菌（LAB）的EPSs合成的基因簇［36－38］。参与xanthan生物合成的Gum

蛋白由

Xanthomonas

campestris

pv.

Campestris染色体上16kbgumBCDEFGHIJKLM基因簇编码。SphingomonasstrainS88中与sphinganS-88合成相关的基因簇为29kb，88包含sphinganS-生物合成、装配以及分泌所必需的所有基因。LAB产生的EPSs在食品工业的广泛应用及其在其它领域潜在的应用前景，使得有关乳酸菌的EPSs遗传学

。Wzy-依赖型

KLPS的聚合作用在多聚体转移至lipidA/core受体时被终止，这一过程也是由WaaL催化实现的。KLPS的链长是由Wzz调控的。群组1的KLPS包含许多短链的单元，这是由于缺少wzz基因造成的。但是，荚膜K-抗原的链长控制机制比KLPS要复杂

陈蕾蕾等：细菌多糖的生物合成机制./微生物学报（2010）50（12）1587

研究发展极为迅速。常温LAB（如L.lactissubsp.Cremoris和L.lactissubsp.Lactis）中，EPS的产生通而嗜热LAB（如S.thermophilus）产常与质粒相关，

生EPS与质粒的存在无关，所有合成EPS所需的基因位于染色体上。海洋多糖在微生物对海洋生态环境的适应过程中发挥着重要作用，近些年来海洋多糖的结构陆续被解析，然而有关海洋多糖的生物合成途径研究得却很少。本课题组从一株分离自深海的适冷菌假交替单胞菌（Pseudoalteromonas）中纯化随后得到了一个单糖组成以葡萄糖为主的同多糖，并克隆得到了一个长约7500bp的多糖合成基因簇。该基因簇中含有6个开放阅读框，其中包括属于PHTP蛋白家族的起始糖基转移酶，葡萄糖基转移酶，以及参与多糖聚合和输出的酶复合体。通过与已经报道的其它来源的细菌多糖合成基因簇相比较，推测在该适冷菌中多糖合成途径为ABC-transporter依赖途径（待发表）。假交替单胞菌是深海中的主要细菌菌群，阐明其多糖合成机制将有助于揭示深海生态系统中的碳循环过程。

而能够为细菌多糖的更广泛的应用奠定理论基础。

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3结语

细菌多糖的应用潜能主要由其物理学和流变学

特性决定，影响这些特性的因素很多，诸如分子量的大小，聚合物的硬度，侧链以及非糖组分的存在，包括有机和无机取代。遗传工程可以用来指导多糖合成并通过改变组成和链长来获得或提高符合人们需要的特性。因此，了解细菌多糖的合成机制是至关近些年来有关细菌多糖合成机制的重要的。虽然，

但是仍存在许多关键性的研究取得了很大的进展，

问题未能解决。首先，大部分与细菌多糖合成调节相关的酶类都是膜蛋白，而相较与水溶性蛋白，膜蛋白的表达纯化以及结构解析都相当困难，因此很难据此了解这些酶类的催化活性及催化机理，成为多作为多糖合糖合成研究中的主要瓶颈问题。其次，

成途径中主要的酶类，不同来源的糖基转移酶以及相同来源的不同糖基转移酶之间的同源性很低，家族种类繁多，使得有关糖基转移酶的进展缓慢

［39－40］

。另外，到目前为止除了乳酸菌中由质粒编

码表达的酶类催化合成的胞外多糖实现了异源表达，其它来源的细菌多糖尤其是病原菌产生的多糖至今还无法异源表达，这就限制了细菌多糖在医药以及工业领域的大规模应用。随着基因组学以及蛋白质组学的不断发展，分子生物学技术手段的不断提升，有关细菌多糖合成机制的研究将会引起人们更多的关注，诸如上述的瓶颈性问题也有望解决，从

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SubstrateNational

bindingbyabacterialABCtransporterinvolvedin19534.AcademyofSciences，2007，104（49）：19529-［24］KeenleysideWJ，WhitfieldC.AnovelpathwayforO-polysaccharidebiosynthesisinSalmonellaentericaserovarBorreze.JournalofBiologicalChemistry，1996，271（45）：28581-28592.

［25］AbeyrathnePD，DanielsC，PoonKK，MatewishMJ，

LamJS.FunctionalcharacterizationofWaaL，aligaseassociatedwithlinkingO-antigenpolysaccharidetothecoreofPseudomonasaeruginosalipopolysaccharide.JournalofBacteriology，2005，187（9）：3002-3012.

［26］HeinrichsDE，YethonJA，WhitfieldC.Molecularbasis

forstructuraldiversityinthecoreregionsofthelipopolysaccharidesofEscherichiacoliandSalmonellaenterica.MolecularMicrobiology，1998，30（2）：221-232.

［27］DrummelsmithJ，WhitfieldC.Geneproductsrequired

forsurfaceexpressionofthecapsularformofthegroup1KantigeninEscherichiacoli（O9a：K30）.MolecularMicrobiology，1999，31（5）：1321-1332.

［28］VincentC，DoubletP，GrangeasseC，VaganayE，

CozzoneAJ，DuclosB.CellsofEscherichiacolicontainaprotein-tyrosinekinase，Wzc，andaphosphotyrosine-proteinphosphatase，Wzb.1999，181（11）：3472-3477.

［29］WugeditschT，PaimentA，HockingJ，DrummelsmithJ.

PhosphorylationofWzc，atyrosineautokinase，isessentialforassembleofgroup1capsularpolysaccharidesinEscherichiacoli.JournalofBiologicalChemistry，2001，276（4）：2361-2371.

［30］CollinsRF，BeisK，ClarkeBR，FordRC.Periplasmic

protein-proteincontactsintheinnermembraneproteinWzcformatetramericcomplexrequiredfortheassemblyofEscherichia

coli

group1

capsules.

Journal

ofJH.

BiologicalChemistry，2006，281（4）：2144-2150.

［31］BeisK，Nesper

J，Whitfield

C，Naismith

CrystallizationandpreliminaryX-raydiffractionanalysisofWzaouter-membranelipoproteinfromEscherichiacoliserotypeO9a：K30.ActaCrystallogrDBiolCrystallogr，2004，60（Pt3）：558-560.

［32］ReidAN，WhitfieldC.Functionalanalysisofconserved

geneproductsinvolvedinassemblyofEscherichiacolicapsulesandexopolysaccharides：evidenceformolecular

JournalofBacteriology，

（O12）

requires

ABC

transporter.JournalofBacteriology，2003，185（5）：

陈蕾蕾等：细菌多糖的生物合成机制./微生物学报（2010）50（12）

recognitionbetweenWzaandWzcforcolanicacidbiosynthesis.JournalofBacteriology，2005，187（15）：5470-5481.

［33］PearceR，RobertsIS.Cloningandanalysisofgene

clustersforproductionoftheEscherichiacoliK10andK54antigens：identificationofanewgroupofserA-linkedcapsulegeneclusters.JournalofBacteriology，1995，177（14）：3992-3997.

［34］JohnsonJR，O＇BryanTT.DetectionoftheEscherichia

coligroup2polysaccharidecapsulesynthesisGenekpsMbyarapidandspecificPCR-basedassay.Journalof1776.ClinicalMicrobiology，2004，42（4）：1773-［35］ClarkeBR，PearceR，RobertsIS.Geneticorganization

oftheEscherichiacoliK10capsulegenecluster：identificationandcharacterizationoftwoconservedregionsingroupIIIcapsulegeneclustersencodingpolysaccharide

transport

functions.

Journal

Bacteriology，1999，181（7）：2279-2285.

［36］SerraniaJ，VorholterFJ，NiehausK，PuhlerA，Becker

Identification

Xanthomonas

campestris

pv.

campestrisgalactoseutilizationgenesfromtranscriptome

1589

data.JournalofBiotechnology，2008，135（3）：309-317.

［37］DabourN，LaPointeG.Identificationandmolecular

characterizationofthechromosomalexopolysaccharidebiosynthesisgeneclusterfromLactococcuslactissubsp.cremoris

SMQ-461.

Applied

and

Environmental

7425.Microbiology，2005，71（11）：7414-［38］BlackWP，XuQ，CadieuxCL，SuhSJ，ShiW，Yang

Z.Isolationandcharacterizationofasuppressormutationthatrestores3610.

［39］WeijersCA，FranssenMC，VisserGM.

Glycosyltr-ansfe-rasecatalyzedsynthesisofbioactiveoligosacch-456.arides.BiotechnologyAdvance，2008，26（5）：436-［40］ChangM，BaiLP，ShanJJ，JiangR，ZhangY，Guo

LH，ZhangR，LiY.Biochemicalcharacteristicsandfunctionofafucosyltransferaseencodedbyste7inEbosinbiosynthesisof1097.

Streptomyces

sp.

139.

Journal

MicrobiologyandBiotechnology，2009，19（10）：1092-Myxococcus

xanthus

exopolysaccharide

production.Microbiology，2009，155（Pt11）：3599-

Biosynthesismechanismsofbacterialpolysaccharide—Areview

LeileiChen，WeimingWang，QingjunZhu，FanglingDu*

（InstituteofAgro-FoodScience＆Technology，ShandongAcademyofAgriculturalSciences，Jinan250100，China）Abstract：Bacterialpolysaccharidesplayimportantrolesbothinmedicineandindustry.Duetothedevelopmentofbacterialgenomesequencing，manygeneclustersrelatedtothebiosynthesisofbacterialpolysaccharidehavebeenfound，alignedandanalyzed.Despiteoftheircomplexcompositionandstructures，differentbacterialpolysaccharidesarebiosynthesizedviasimilarpathways.Thisreviewdiscussedtheresearchdevelopmentofthebiosyntheticmechanismofdifferentbacterialpolysaccharides，withemphasisontheglycosyltransferasesandpolymerasesinvolvedinthebiosyntheticpathway.

Keywords：bacterialpolysaccharide；glycosyltransferase；polymerase；Wzy-dependentpathway

（本文责编：王晋芳）

Supportedbythe948ProgramoftheAgricultureDepartmentofChina（2009-Z39）

Correspondingauthor.Tel：+86-531-83179137；Fax：+86-531-88960332；E-mail：[email protected]

Received：23March2010/Revised：13August2010

微生物学报ActaMicrobiologicaSinica50（12）：1583－1589；4December2010ISSN0001－6209；CN11－1995/Qhttp：//journals.im.ac.cn/actamicrocn

细菌多糖的生物合成机制

陈蕾蕾，王未名，祝清俊，杜方岭

（山东省农业科学院农产品研究所，济南

250100）

关键词：细菌多糖；糖基转移酶；聚合酶；Wzy依赖途径中图分类号：Q935

文献标识码：A

6209（2010）12-1583-07文章编号：0001-糖生物学研究领域一个很好的研究对象。随着细菌众多多糖合成基因簇被发基因组的不断测序，现

［3－4］

PS），多糖（polysaccharide，又称多聚糖，是由至失水而连接起来的均少十个以上的单糖单位缩合、

聚物或共聚物，是一类广泛存在于自然界中的生物在细胞间相互作用、信体产生的独特的生物大分子，

后者指由两种或两种以上的单糖组成的多糖。杂多糖因其结构的复杂性具有更广泛的功能，它们是细是病原细菌的主要致胞壁和胞外基质的主要组分，

病因子，并且在细胞发育和细胞的相互识别中担任着重要的角色

［1］

。不同糖合成基因簇的比对结果证明尽管自

但是它们的合成机制然界中多糖的结构复杂多变，

1细菌多糖的种类和结构

按形态学上的分类，可以把细菌多糖分为3种

类型：细胞壁多糖，位于细胞壁层；细胞外多糖，位于细胞壁外，即介于细胞与细胞之间；细胞内多糖，位于原生质膜内侧或作为原生质膜的组分。1.1

O-antigen）抗原（O-O-抗原是一类典型的细胞壁多糖，它是细菌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的重要组成部分，还是许多病原细菌的致病因子

［5］

。

［2］

近些年来，细菌多糖因其重要的医学价值和工业用途引起了人们的广泛关注

。病原细菌的表

剂和胶凝剂等。此外，细菌多糖还是碳水化合物和

基金项目：农业部948项目（2009-Z39）

。O-抗原由许多含

531-83179137；Fax：+86-531-88960332；E-mail：[email protected]通信作者。Tel：+86-

1584LeileiChenetal./ActaMicrobiologicaSinica（2010）50（12）

杂性。这种结构上的复杂性后来成了细菌分型（serotyping）的重要依据，到目前为止大肠杆菌中已

［6］报道的就有186种O-serotype。

糖醛酸磷壁酸质（革兰氏阳性菌含有）。

2细菌多糖的生物合成途径

尽管多糖的结构千变万化，但是它的合成途径

1.2EPS）

细胞外多糖（extracellularpolysaccharide，广义的细胞外多糖包括两个部分，荚膜多糖

O-抗原的生物合成

［8］

比如，可以引起肺炎、脑膜炎等人类致死性疾病的重要病原菌肺炎链球菌，该菌可以表达合成90多种结构不同的荚膜多糖

［7］

。

大多数细菌胞外多糖是由一个单糖单位组成的或者是由两到八个单糖构成的有规则重复同多糖，

单位的杂多糖。EPS由范围极广的单糖组成，而目前只发现了其中一小部分。这些单糖包括D-D-半乳糖和D-甘露糖等。主要发现的细菌葡萄糖、

，O-抗原的生物合成过程可以分为3步。

（1）起始（initiation）：细胞质中存在大量的糖起始反应是发生在细胞膜的胞质面，这一步核苷酸，

在整个多糖的合成过程中是比较保守的。以糖核苷酸为糖供体，位于细胞膜上的脂载体十一异戊烯磷由起始糖基转移酶（initial酸（Und-P）为糖受体，

glycosyltransferase，IT）催化，形成Und-PP-连接的糖复合物。IT是膜蛋白，根据拓扑学结构的不同分为两类

［9］

。一类属于PNTP蛋白家族，12个含有10-

O-抗原合成以及主要参与糖基化过程、穿膜结构域，

［10］

。另一类IT可以催化O-抗原合成的起始反应

陈蕾蕾等：细菌多糖的生物合成机制./微生物学报（2010）50（12）1585

1-P或半乳糖-1-P的能力们都具有转移葡萄糖-

（图1）［11－12］

。

图1起始糖基转移酶WecA和WbaP催化的化学反应方程式

Fig.1

ReactioncatalyzedbyinitialtransferaseWecAandWbaP.

（2）糖重复单元的延伸、翻转和聚合（elongation/translocation/polymerization）这是糖单元根据这一过程中糖单元装配方式合成的主要过程，

这一途径可以分为三类：以及翻转机制的不同，Wzy-dependent，ABC-transportersynthase-dependentpathway。

［8］

不同物种来源的Wzy具有很低的氨基酸序膜区域，

列同源性。Wzy是阐明O-多糖生物合成机制的关采用酶化学法合成的O-unit底物，结合对Wzy键酶，

Wzy的聚合功能及其与Wzz的相互作的异源表达，

用在体外试验中得到了证实

［17］

dependent和。O-抗原的链长是

Wzz的一级由Wzz来调节的。相较于Wzx和Wzy，

序列具有相对较高的同源性。Wzz在C-端和N-端并在周质空间内有一个大的亲各有一个跨膜片段，

水环，经晶体结构解析此亲水环主要是α-螺旋结构

［18］

。Wzz蛋白体内聚合成六聚体，然后通过微弱

［19］

地改变自身的结构，在聚合酶Wzy和剪切酶WaaL等组装成复合体的过程中行使分子伴侣的功能

。

［20，23］

。聚合反应包括将初生糖单元从Und-PP

［13－14］

脂载体上转移到Und-PP-O-units，然后由Wzz控制增加的糖单元的数量

。多糖的运输和组装过

［15］

。据推测，Wzx蛋白质可以利用质子或电

［16］

。在Und-PP-linkedO-units转位至周质空间的

Wzy负责将O-units聚合到成糖多聚体。过程中，

Wzy蛋白质是一种膜整合蛋白，具有11－13个的跨

。

1586LeileiChenetal./ActaMicrobiologicaSinica（2010）50（12）

Synthase-dependentpathway：这种途径仅在Salmonellaenterica质粒编码的O54抗原（ManNAc的均聚体）的合成中报道过

［24］

［28－29］

。这种途径的作用原

理类似于ABC运输蛋白-依赖型途径，除了前者具有一个合成酶之外，该合成酶似乎能通过渐进机制进而导致多糖链的延伸并伴随初生催化聚合反应，

［25］

。Wzc蛋白已知为寡聚体。运用低温电，结果表明Wzc形成具有C4旋转对称

Wzc的结构在14 分辨率上镜技术和单颗粒分析，解析出来

［30］

区形成一个连性的四聚体复合物。上面的“crown”

“roots”“crown”续的密度环，并且4个不连接的从的Wzc的精确由于低的分辨率，下侧显露出来。但是，

［31］

。通过交联实

群组2和3荚膜的合成基因在serA附近成簇排列

［33］

。WaaL为膜整合蛋

具有较低的氨基酸序列相似性。已有文献报道白，

WaaL蛋白质缺乏分辨供体结构的能力，这表明其

［26］

。识别Und-P载体而不是Und-P载体上结合的糖

但是，连接活性的发挥仍需要特异性的脂类A-核心寡糖受体结构，并且WaaL蛋白被认为依赖于这种受体的特异性。2.2

荚膜多糖的生物合成

荚膜多糖的生物合成由一大簇基因编码，基因转录成单个多顺反子mRNA，并簇通常是单向排列，

协调表达。细菌中大量的荚膜基因簇已经被克隆出其中E.coli来源的荚膜基因簇已经被广泛地研来，

［27］

。基因wzx和wzy的缺失反映出群组2和3荚

的蛋白质也涉及参与输出过程，但是细节仍然不清楚。2.3

胞外多糖的生物合成

蛋白由

Xanthomonas

campestris

pv.

。Wzy-依赖型

陈蕾蕾等：细菌多糖的生物合成机制./微生物学报（2010）50（12）1587

研究发展极为迅速。常温LAB（如L.lactissubsp.Cremoris和L.lactissubsp.Lactis）中，EPS的产生通而嗜热LAB（如S.thermophilus）产常与质粒相关，

而能够为细菌多糖的更广泛的应用奠定理论基础。

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3结语

细菌多糖的应用潜能主要由其物理学和流变学

但是仍存在许多关键性的研究取得了很大的进展，

成途径中主要的酶类，不同来源的糖基转移酶以及相同来源的不同糖基转移酶之间的同源性很低，家族种类繁多，使得有关糖基转移酶的进展缓慢

［39－40］

。另外，到目前为止除了乳酸菌中由质粒编

1588

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Biosynthesismechanismsofbacterialpolysaccharide—Areview

LeileiChen，WeimingWang，QingjunZhu，FanglingDu*

Keywords：bacterialpolysaccharide；glycosyltransferase；polymerase；Wzy-dependentpathway

（本文责编：王晋芳）

Supportedbythe948ProgramoftheAgricultureDepartmentofChina（2009-Z39）

Correspondingauthor.Tel：+86-531-83179137；Fax：+86-531-88960332；E-mail：[email protected]

Received：23March2010/Revised：13August2010

细菌多糖的生物合成机制_陈蕾蕾

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