C端螺旋的正电荷调控内溶素对革兰阴性菌的穿透与杀伤

由于抗生素滥用导致多重耐药革兰阴性菌（如“超级细菌”）感染日益严重，亟需开发新型抗菌药物。内溶素作为噬菌体产生的细胞壁降解酶，对革兰阳性菌具有高效杀菌能力，但其对革兰阴性菌的抗菌活性受外膜阻碍，限制了其应用。

尽管近年来研究发现，一些内溶素的C端带有一段两亲性螺旋结构，使其能够在一定程度上穿透外膜，从而对革兰阴性菌展现出“内在的”抗菌活性，但这些天然内溶素的活性通常较低，且其C端螺旋具体如何发挥作用、其活性决定因素是什么，尚未被完全阐明。因此，深入理解C端两亲性螺旋的功能机制，对于改造和优化内溶素以有效对抗革兰阴性菌至关重要。

来自韩国首尔大学的 Sangryeol Ryu团队通过系统的蛋白质工程和功能分析，阐明了内溶素C端两亲螺旋表面电荷对其抗菌活性的关键作用。

（1）研究人员首先鉴定出两种高度同源但抗菌活性差异显著的内溶素LysTS3和LysTS6，并确认二者对膜透化细菌具有相似的胞壁水解活性。通过构建嵌合体，他们将导致活性差异的关键区域锁定在C端的α2螺旋上（图S5）。生物信息学分析发现，与LysTS3相比，LysTS6的α2螺旋表面带有更显著的正电荷（图3A）。

图S5 嵌合裂解酶对大肠杆菌的抗菌活性

图3A 两种内溶素C端 α2 螺旋表面带电氨基酸残基的示意图

（2）为验证此假设，他们在LysTS3的α2螺旋表面引入了定点突变（A156K, E160A及双突变A156K/E160A），使其电荷分布向LysTS6看齐（图3B）。结果表明，这些单点及双突变体均能显著提升LysTS3的抗菌活性，其中双突变体的效果与LysTS6相当，证实了表面正电荷的增强效应（图4）。膜通透性实验（NPN/SYTOX摄取）进一步证明，高正电荷的螺旋能更有效地破坏革兰氏阴性菌的外膜，从而帮助内溶素抵达并水解肽聚糖层（图S6）。

图3B LysTS3点突变方案：通过将氨基酸残基156处的非极性氨基酸丙氨酸（Ala）和残基160处的带负电荷氨基酸谷氨酸（Glu）分别替换为赖氨酸和丙氨酸，构建了单突变体

图4 C端 α2 螺旋的表面电荷影响LysTS3的抗菌活性

图S6 LysTS3、LysTS6 及 LysTS3 突变体的膜通透性

（3）最后，研究者将这一策略成功应用于另外两种内溶素LysSPN1S和LysJEP4，通过增加其C端螺旋表面正电荷，同样实现了抗菌活性的显著提升（图5），从而普适性地证明了通过工程化改造C端螺旋表面电荷以增强内溶素活性的有效性。

图5 C端螺旋表面电荷的改变增强了LysSPN1S和LysJEP4的抗菌活性

研究为理性设计高效内溶素提供了清晰的蓝图，即通过定点突变增强C端螺旋的正电荷来突破革兰氏阴性菌的外膜屏障。未来的工作将集中于通过结构生物学深入阐明其穿透膜的分子细节，并推进动物模型实验以验证其体内疗效与安全性，最终目标是开发出能对抗多重耐药革兰氏阴性菌的、基于内溶素的新型抗菌疗法。

参考文献链接：https://doi.org/10.1186/s12929-025-01133-x