Lipid A的生物合成和遗传学概述

Lipid A的生物合成发生在细胞膜的胞浆面。既往认为Lipid A的合成起点为UDP-N-葡萄糖胺（UDP-GlcN），目前已证实真正的合成起点为UDP-N-乙酰葡萄糖胺（UDP-GlcNAc）。Lipid A的合成是在lpx基因簇编码的一系列酶的催化下，经过UDP-N-乙酰葡萄糖胺、UDP-单脂酰乙酰葡萄糖胺、UDP-2，3二脂酰葡萄糖胺、Lipid Ⅹ、LipidⅣA等一系列中间体的合成步骤，最终生成Lipid A。其中β-羟基14烷酸-酰基载体蛋白[（β-OH）C14-ACP]在Lipid A的生物合成中提供Lipid A结构中的β-羟基14烷酸﹐酰基载体蛋白（acyl carrier protein，ACP）由acpP基因编码。

一、UDP-单脂酰乙酰葡萄糖胺

在UDP-N-乙酰葡萄糖胺酰基转移酶（UDP-GlcNAc O-acyltransferase）（lpxA基因编码）的作用下，UDP-GlcNAc在3-羟基位被（β-OH）C14-ACP提供的β-羟基14烷酸酰化生成UDP-单脂酰乙酰葡萄糖胺（UDP-3-monouoyl-GlcNAc）（图3-1）。

二、UDP-2，3二脂酰葡萄糖胺和Lipid Ⅹ

UDP-3-monouoyl-GlcNAc在N-脱乙酰酶（UDP-3-O-N-acetylgluco samine deacety-lase）（lpxC基因编码）作用下脱去C-2氨基上的乙酰基团，然后在酰基转移酶（acyl-transferase）（lpxD基因编码）的催化下向C-2氨基转入ACP结合的β-羟基14烷酸，生成UDP-2，3-二脂酰葡萄糖胺（UDP-2，3-Di-acyl-GlcN）（图3-1）。最后在焦磷酸酶的作用下，磷酸置换出UDP，生成1-磷酸-2，3-二脂酰葡萄糖胺即 Lipid X（图3-2）。

三、Lipid Ⅳ A

在Lipid A 双糖合成酶（disaccharidesynthase）（lpxB基因编码）的催化下，UDP-2，3-二脂酰葡萄糖胺和 Lipid X在1-6位置通过焦磷酸键连接缩合生成Lipid A前体分子二糖1-磷酸（二糖1-P）。此时每个糖基上有2个β-羟基14烷酸，还原性葡萄糖胺的C-1位上有一磷酸基。然后在C-4-膜结合激酶（membrane bound 4 kinase）的作用下（在大肠杆菌中由lpxK基因编码），非还原性葡萄糖胺的C-4上再连接一个磷酸基团，生成1，4-二磷酸四脂酰葡萄糖胺双糖即LipidⅣA（图3-2）。

四、Lipid A

Lipid ⅣA在转变为Lipid A 的合成反应中，在KDO转移酶（KDO transferase）（kdtA/ waaA基因编码）的作用下，非还原性葡萄糖胺的C-6´与CMP-KDO中的KDO偶联。然后在同样的转移酶作用下使第2个CMP-KDO与第一个KDO的C-4-OH结合。Lipid A中的脂肪酸（十二烷酰和十四烷酰链）是在KDO结合到Lipid ⅣA后，再通过一种独特的酰基转移酶（acyltransferases）（htrB和msbB基因编码），在Lipid ⅣA的C-2´和C-3´位脂肪酸主链上再引入2个饱和脂肪酸（C12，C14），从而在胞浆面形成较为完整的疏水性的锚状结构即KDO-Lipid A（图3-3）。

在第4步的合成中，不同细菌所连接脂肪酸链的程度可以不同，这是造成不同细菌的LPS毒力差异的原因之一，这与某些基因的调控有关，如沙门菌的PhoP/PhoQ因子，它可调控Lipid A中2-羟基十四烷酸盐和棕榈酸盐的修饰，从而增强了细菌对宿主非特异性免疫识别的逃逸能力。

沙门菌逃避宿主杀灭的机制﹐主要受控于PhoP/PhoQ双成分调节因子。PhoP/PhoQ通过磷酸化或结合特定的启动子，诱导或抑制基因的表达，这些基因称为phoP激活基因（pag）和phoP抑制基因（prg）。通过这些基因的调控表达，可使沙门菌适应外周的环境，抵抗宿主细胞的杀灭作用。pag基因和prg基因的平衡表达是维持沙门菌生存所必需的。目前发现pagC、pagD、pagJ 、pagK、pagM和pagP与沙门菌的毒力有密切关系。

参与Lipid A合成的酶都位于细胞质或细胞膜的胞浆面，因为在体外研究中发现，从Lipid ⅣA转变成Lipid A的过程中都需要去垢剂的激活。但近年在鼠伤寒沙门菌中发现，由pagL基因（PhoP/PhoQ-activatedgene L）编码的一种独特的脱酰酶以及在大肠杆菌中由pWLP21质粒控制合成的蛋白质，可以 PhoP/PhoQ依赖的方式导致Lipid A的R-3-羟基十四烷酸发生改变，从而造成Lipid A对阳离子抗菌肽的耐受性加强，但它不影响细菌细胞的生长。通过分离外膜和SDS/PAGE分析，该脱酰酶主要位于细胞外膜，由185个氨基酸序列组成，其氨基端是20个氨基酸组成的信号肽。在这个过程中，有可能lpxO基因也参与其中，它可能编码产生一种Fe2+/α酮戊二酸盐依赖的双加氧酶，催化Lipid A或其前体的羟基化，该酶是一种含有302个氨基酸的蛋白质，位于细胞膜上，其两端具有与膜结合的锚状结构；另一个位于外膜的酶由pagP基因所编码，其作用和pagL相似，参与2-羟基十四烷酸盐的修饰。

尽管Lipid A的结构相当保守，但在许多生物体中，已证实Lipid A仍存在进一步的共价修饰，这种修饰可能与细菌的致病性或有利于其在宿主体内的生存有关。一种位于细胞膜胞质面的4-氨基-4-脱氧阿拉伯糖（4-amino-4-deoxy-1-arabinose，1-Ara4N）转移酶（ArnT）可以在Lipid A合成的过程中，将1或2个1-Ara4N转移至Lipid A或其前体分子Lipid Ⅳ A的磷酸基团上，从而导致大肠杆菌K-12和鼠伤寒沙门菌对多粘菌素的耐受。在鼠伤寒沙门菌中，该酶由染色体上的orf5，pmrK和yfbl基因编码，含有548个氨基酸残基并可能存在12个跨膜区域，在绿脓假单胞菌和耶尔森菌也被发现有类似的氨基酸序列。