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细菌病原体的外膜（OM）是强效毒力因子，并作为抵御宿主免疫的第一道防线。其显著的双层不对称性对于功能至关重要，但也给体外重构带来了特殊挑战，从而使结构-活性分析局限于人工的非天然平台，而这类平台可能干扰结构与功能。在此，我们将细菌外膜囊泡（OMV）描述为一种有效载体，用于基于固体核磁共振（NMR）在原位开展结构-活性分析。OMV是在细菌细胞生长与发育过程中由细胞外膜天然分泌形成的。我们表明，大肠杆菌OMV可被工程化以表达一系列经同位素标记的目标外膜蛋白，并可被分离用于固体核磁共振魔角旋转（MAS）实验。 我们获得了三种细菌毒力因子的高分辨率NMR谱：鼠疫耶尔森菌的黏附侵袭位点蛋白（Ail）和纤溶酶原激活蛋白酶（Pla），以及大肠杆菌的主要孔蛋白（OmpF）。这些谱图反映了蛋白质的天然结构，表征了特异性的OMV膜环境，并可用于绘制蛋白质与其人宿主配体之间的相互作用，尤其是多功能糖蛋白玻连蛋白（Vitronectin, Vn）；Vn可与Ail结合，作为其血清保护活性的一部分。值得注意的是，OMV能够支持蛋白质功能，从而使结构与活性能够在原位相关联。表达质粒编码Ail的OMV可募集人Vn，并赋予野生型大肠杆菌细胞血清保护能力；而表达质粒编码Pla的OMV则支持Pla的蛋白水解活性。综上，这些数据确立了OMV作为一种稳健的新平台，可用于外膜蛋白在原位的结构-活性分析；同时为理解细菌外膜的复杂性提供了新见解，并揭示了OMV作为细菌感染关键辅助单元的更多功能层面。
通过固态核磁共振研究天然细菌膜囊泡中外膜蛋白的结构-活性 | bioRxiv
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通过固态核磁共振研究天然细菌膜囊泡中外膜蛋白的结构-活性
T Gopinath，Kyungsoo Shin，Swapna Bera，Alyssa Kraft，Karthika Samimuthu，Ashish Gadicherla，James E Kent，Nicholas A Wood，Francesca M Marassi
doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.15.738770
T Gopinath 1 威斯康星医学院生物物理学系；
Kyungsoo Shin 1 威斯康星医学院生物物理学系；
Swapna Bera 1 威斯康星医学院生物物理学系；
Alyssa Kraft 1 威斯康星医学院生物物理学系；
Karthika Samimuthu 1 威斯康星医学院生物物理学系；
Ashish Gadicherla 2 威斯康星医学院细胞生物学、神经生物学与解剖学系；
James E Kent 3 Qpex Biopharma
Nicholas A Wood 1 威斯康星医学院生物物理学系；
Francesca M Marassi 1 威斯康星医学院生物物理学系；
通讯作者： fmarassi{at}mcw.edu
摘要
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摘要
细菌病原体的外膜（OM）是强效毒力因子，并作为抵御宿主免疫的第一道防线。其显著的双层不对称性对功能至关重要，但也使其在体外重构面临特殊挑战，从而将结构-活性分析限制在人工的非天然平台中，而这些平台可能干扰结构与功能。在此，我们将细菌外膜囊泡（OMV）描述为一种有效载体，用于基于固态核磁共振（NMR）在原位开展结构-活性分析。OMV是在细菌细胞生长和发育过程中由细胞外膜天然分泌形成的。我们表明，大肠杆菌 OMV 可被工程化以表达一系列同位素标记的目标外膜蛋白，并可分离用于固态核磁共振魔角旋转（MAS）实验。我们获得了三种细菌毒力因子的高分辨率 NMR 光谱：鼠疫耶尔森菌的黏附侵袭位点蛋白（Ail）和纤溶酶原激活蛋白酶（Pla），以及大肠杆菌的主要孔蛋白（OmpF）。这些光谱反映了蛋白质的天然结构，报告了特异性的 OMV 膜环境，并可用于描绘蛋白与其人类宿主配体之间的相互作用，特别是多功能糖蛋白玻连蛋白（Vitronectin，Vn）；Vn 与 Ail 结合是其血清保护活性的一部分。值得注意的是，OMV 能够支持蛋白功能，从而使结构与活性能够在原位相关联。表达质粒编码 Ail 的 OMV 可募集人源 Vn，并赋予野生型大肠杆菌细胞血清保护能力；而表达质粒编码 Pla 的 OMV 则支持 Pla 的蛋白水解活性。综上，这些数据确立了 OMV 作为一种稳健的新平台，可用于外膜蛋白在原位条件下的结构-活性分析，提供了关于细菌外膜复杂性的新见解，并揭示了 OMV 作为细菌感染关键辅助单元的更多功能方面。
利益冲突声明
已声明的资助信息
美国国立卫生研究院 GM118186，AI188770
版权
持有人为作者/资助方，其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。 本文依据 CC-BY-ND 4.0 国际许可协议提供。
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发表于 2026 年 7 月 16 日。
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通过固态核磁共振研究天然细菌膜囊泡中外膜蛋白的结构-活性
T Gopinath，Kyungsoo Shin，Swapna Bera，Alyssa Kraft，Karthika Samimuthu，Ashish Gadicherla，James E Kent，Nicholas A Wood，Francesca M Marassi
bioRxiv 2026.07.15.738770； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.15.738770
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通过固态核磁共振研究天然细菌膜囊泡中外膜蛋白的结构-活性
T Gopinath，Kyungsoo Shin，Swapna Bera，Alyssa Kraft，Karthika Samimuthu，Ashish Gadicherla，James E Kent，Nicholas A Wood，Francesca M Marassi
bioRxiv 2026.07.15.738770； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.15.738770
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.15.738770v1?rss=1
🏷️ 固态核磁共振 外膜囊泡 外膜蛋白 结构-活性分析 细菌毒力因子 宿主-病原互作