清華大學結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心方顯楊課題組揭示葡萄球菌Bap蛋白經(jīng)由相變形成功能性淀粉樣纖維及介導生物被膜形成的調(diào)控機制
已有研究表明，80%的細菌感染與生物被膜的形成相關(guān)。細菌生物被膜是細菌自身分泌的胞外基質(zhì)相互粘連形成的，具有特定結(jié)構(gòu)和功能的細胞群體。胞外基質(zhì)的主要成分為胞外多糖、蛋白質(zhì)、胞外DNA(eDNA)和脂質(zhì)等。生物被膜為細菌提供了機械屏障，可以抵御宿主免疫反應(yīng)并導致細菌對抗生素及消毒劑敏感性降低，從而增強它們在宿主和環(huán)境中的生存能力；此外，生物被膜內(nèi)部是一種低氧、低pH、高二氧化碳且缺水的干燥環(huán)境，營養(yǎng)物質(zhì)匱乏，不利于細菌生長代謝。傳統(tǒng)抗生素可能由于生物被膜的屏障作用和生物被膜內(nèi)細菌生長代謝改變導致其對成熟生物被膜內(nèi)的細菌沒有作用，生物被膜的形成因而與細菌的耐藥性密切相關(guān)，也是造成慢性感染和病情遷延不愈的主要原因。
近年來，由多重耐藥性金黃色葡萄球菌引起的院內(nèi)感染已對全人類的健康構(gòu)成極大威脅。全球每年有近100萬人死于無法用傳統(tǒng)抗生素治療的細菌感染，其中，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌造成的死亡病例遠超過由艾滋病和肺結(jié)核引起的死亡病例總和。金黃色葡萄球菌的耐藥性往往與其形成生物被膜密切相關(guān)。人們很早就在奶牛源金黃色葡萄球菌中發(fā)現(xiàn)一種被稱作生物被膜相關(guān)蛋白（Biofilm associated proteins）的細胞表面蛋白Bap，Bap在介導葡萄球菌生物被膜的形成中發(fā)揮重要作用。Bap是一個多結(jié)構(gòu)域蛋白，全長蛋白含有2276個氨基酸。最近的研究表明，Bap蛋白的N末端在低pH和低鈣下易于聚集形成功能性淀粉樣纖維，并且促進細菌聚集和生物被膜的形成。然而，Bap蛋白響應(yīng)環(huán)境變化調(diào)控淀粉樣纖維的形成以及介導生物被膜形成的機制并不清楚。
近日，方顯楊課題組在EMBO J雜志發(fā)表了題為“Structural mechanism for modulation of functional amyloid and biofilm formation by Staphylococcal Bap protein switch”的研究論文。該項工作解析了Bap蛋白N末端BSP結(jié)構(gòu)域的1.9 ?的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)啞鈴形折疊，連接N末端和C末端的中間模塊（Middle module，MM）由兩個串聯(lián)的全新的鈣離子結(jié)合基序組成。盡管該基序曾被預測為可結(jié)合鈣離子的EF-hand，晶體結(jié)構(gòu)表明，不同于傳統(tǒng)的EF-hand形成Helix-Loop-Helix的結(jié)構(gòu)并僅結(jié)合一個鈣離子，該基序形成了Loop-Helix-Loop的結(jié)構(gòu)而且結(jié)合兩個鈣離子，因而是一種全新的鈣離子結(jié)合基序。小角X射線散射（SAXS），核磁共振（NMR）和分子動力學模擬數(shù)據(jù)表明，中間模塊響應(yīng)鈣離子濃度變化發(fā)生從有序到無序的構(gòu)象轉(zhuǎn)換。體外和體內(nèi)的生化實驗表明，BSP的N端在酸性（pH <= 4.5）條件下通過液相-液相和液相-固相相變形成淀粉樣纖維并介導生物被膜形成。該過程受到低鈣離子條件下處于無序構(gòu)象的中間模塊（MM）的促進，而鈣離子結(jié)合可促進中間模塊的緊湊折疊，并與周邊模塊形成相互作用網(wǎng)絡(luò)，從而抑制相分離發(fā)生以及生物被膜的形成。由于許多細菌都通過Bap形成生物被膜，對Bap蛋白介導金黃色葡萄球菌生物被膜形成的調(diào)控機制的揭示，有助于開展相關(guān)的藥物設(shè)計。
2.BSP的中間模塊作為一種新穎的鈣離子結(jié)合基序，其結(jié)構(gòu)與近年來在真核和原核生物中發(fā)現(xiàn)的多種鈣離子結(jié)合基序完全不同。中間模塊通過感應(yīng)鈣離子和pH的變化而發(fā)生“無序?有序”之間的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，賦予細菌響應(yīng)外界環(huán)境信號并在特殊條件下生存的能力。
3.在低pH和低鈣離子濃度條件下，BSP的各結(jié)構(gòu)模塊協(xié)同性的調(diào)控淀粉樣纖維的形成進而介導金黃色葡萄球菌生物被膜的形成。
清華大學結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心方顯楊助理教授為文章的通訊作者, 2016級博士研究生馬俊鋒是文章的第一作者，研究助理程翔，2017級博士研究生徐鐘河，已畢業(yè)博士生張一堪對該課題做出了重要貢獻。西班牙納瓦拉公立大學I?igo Lasa教授，美國阿貢國家實驗室左孝兵博士為該項研究的重要合作者。清華大學結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心王佳偉教授和范仕龍博士對晶體數(shù)據(jù)收集與處理進行了指導和幫助。清華大學生命學院梁鑫教授和醫(yī)學院張敬仁教授在實驗材料方面給予了大力幫助。清華大學蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心、膜生物學國家重點實驗室和上海同步輻射光源為本研究提供了設(shè)備和技術(shù)支持。本研究得到了國家自然科學基金、清華大學結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學聯(lián)合中心的經(jīng)費支持。
原文鏈接：
