壁多糖的结构与生物合成

革兰氏阳性细胞壁除肽聚糖和磷壁酸外，常含有多糖。细菌多糖可分为三类：胞外多糖，与微生物细胞表面松散结合并释放到周围环境中；荚膜多糖，永久附着在细胞上，在细菌周围形成屏障；细胞壁多糖，它可以或不可以共价连接到细胞壁，但不形成胶囊。值得注意的是，关于这三个组的定义，在实验层面上存在一些争议，文献中没有严格遵循这一术语；例如，胞外多糖也被用来表示胞外多糖。细菌多糖不仅在糖组成上表现出很大的多样性，而且在连锁、分枝和取代方面也表现出很大的多样性。在这里，我们将不回顾在培养基中释放的严格意义上的胞外多糖，这些胞外多糖因其在增加发酵乳制品质地方面的作用而成为广泛研究的主题；其他评论已经涵盖了它们。

编码参与多糖生物合成的分子的基因通常由8到25个基因组成，这些基因位于染色体或质粒中。这些簇包含编码糖基转移酶的基因和负责输出和调节的基因。多糖合成途径可能与负责产生其他细胞壁聚合物（例如肽聚糖或壁磷壁酸）的途径重叠，因为它也可能涉及十一烯基磷酸酯作为脂质载体。

在L.lactis MG1363中，在细菌表面发现了壁多糖，随后对其进行了表征。原子力显微镜（AFM）和辅助透射电子显微镜观察表明，这种壁多糖类型形成了一个紧密的外层，包围着细胞，称为膜。它的结构是通过核磁共振确定的，并且与其他细菌多糖（包括先前表征的乳酸乳杆菌胞外多糖）不同。多糖链由含有鼠李糖（Rha）的六糖磷酸重复单元组成。它们很可能是共价连接到细胞壁上的，因为它们只能通过严酷的酸处理来提取。在乳杆菌MG1363中，参与多糖合成的分子由单个大的基因簇编码。这种基因簇存在于许多不同的乳酸杆菌菌株中，但表现出相当高的遗传多样性，这表明不同乳酸杆菌菌株合成的壁多糖中存在结构变异。从另外两株乳酸乳杆菌（3107和SMQ-388）中纯化的壁多糖的结构最近被描述并证实了乳酸乳杆菌菌株之间的多糖结构多样性。与组成MG1363 多糖膜的壁多糖一样，这些壁多糖是由通过磷酸二酯键连接的寡糖重复单元构成的酸性多糖；然而，寡糖重复单元的结构在三个菌株中不同。

杂多糖由不同的糖部分（Glc、Gal、Rha、GlcNAc和GalNAc）和其他残基组成，如葡萄糖醛酸和Gro-3-P，也被发现与乳酸杆菌的细胞表面有关。值得注意的是，植物乳杆菌WCFS1基因组包含四个与表面多糖产生相关的基因簇。这些不同多糖的结构尚未确定。在鼠李糖乳杆菌GG中，使用AFM在细菌表面检测到一种长的富含半乳糖的多糖（作者称之为胞外多糖——胞外多糖）。它可能对应于先前描述的多糖结构。鼠李糖菌株GG和其他菌株在编码多糖生物合成的基因簇中表现出遗传差异，这种差异与多糖组成的变化有关。利用原子力显微镜对鼠李糖乳杆菌GG细胞表面的研究表明，其形态粗糙，具有波浪状结构。相反，多糖阴性突变体的细胞表面更光滑，这表明波状结构反映了多糖的产生。此外，带有凝集素修饰尖端的单分子力谱显示，细胞表面多糖链具有异质结构：富含甘露糖（或葡萄糖）的多糖具有中等延伸，而富含半乳糖的多糖具有更长的延伸。一种用于比较干酪乳杆菌菌株表面糖组的凝集素微阵列显示，不同菌株具有不同的图谱，这表明它们的壁多糖是不同的。在益生菌干酪乳杆菌中，发现了两种类型的壁多糖：较长的高分子量多糖-1和较短的低分子量多糖-2。已经描述了多糖-1的结构，并且已经确定了编码参与多糖-1生物合成的蛋白质的基因簇。此外，最近观察到，瑞士乳杆菌菌株在壁多糖结构上存在差异，并且假设这些差异可能部分解释了所研究菌株之间自溶特性的差异。壁多糖是乳酸菌细胞表面无处不在的成分，很可能在同一物种的菌株中，它们在结构上有所不同。

壁多糖的功能

在细菌生理学以及与噬菌体或真核宿主相互作用的实验室中，壁多糖已经被分配了许多角色。来自936和P335组的受试噬菌体的受体。在噬菌体水平上，位于噬菌体尾部顶端的受体结合蛋白（RB多糖；也称为抗受体）参与噬菌体吸附：它们特异识别细菌表面的受体。在不同的乳酸菌噬菌体中已经建立了RB多糖的3D结构，这意味着现在可以探索介导RB多糖和多糖膜之间相互作用的识别机制，以了解识别特异性的分子机制。作为第一步，表面等离子体共振实验已经证明噬菌体p2 RB多糖与从噬菌体宿主菌株MG1363纯化的多糖膜结合。

壁多糖是正常细胞形态所必需的，并且在细胞分裂中发挥作用。表面暴露的多糖参与了一系列的细菌特性和功能，包括粘附在非生物表面和生物膜的形成；它们还参与与其他微生物和宿主细胞的相互作用。鼠李糖乳杆菌GG中糖基转移酶welE基因的失活大大降低了富含半乳糖的高分子量壁多糖的水平。welE突变体表现出更高的粘附力和更大的形成生物膜的能力，可能是因为表面粘附素，如菌毛结构，更容易暴露。

细菌CP已被证明是有效的免疫调节分子；它们在很大程度上在致病物种中具有特征，并被认为是通过阻止吞噬作用发挥作用的毒力因子。乳酸乳杆菌多糖膜也被证明在体外保护细菌免受小鼠巨噬细胞的吞噬作用，这表明壁多糖可能会屏蔽其他细胞表面成分，阻止它们被巨噬细胞受体识别。在体外与小鼠巨噬细胞共同培养后，产生低水平高分子量壁多糖的干酪乳杆菌Shirota突变体产生高水平的IL6、IL10和IL12细胞因子。这些结果强调了壁多糖的免疫抑制功能。在植物乳杆菌突变体中也获得了类似的结果，该突变体是通过删除四个编码构成多糖生物合成途径的蛋白质的基因簇而产生的。与野生型相比，突变体诱导TLR2介导的NF-κB活化显著增加，这表明表面多糖的存在减少了TLR2活化分子的暴露。最后，鼠李糖乳杆菌GG富含半乳糖的多糖可保护宿主免受先天性防御分子的侵害，如LL-37抗菌肽。