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(dǎo)生物被膜形成的調(diào)控機(jī)制
近年來(lái)，由多重耐藥性金黃色葡萄球菌引起的院內(nèi)感染已對(duì)全人類的健康構(gòu)成極大威脅。全球每年有近100萬(wàn)人死于無(wú)法用傳統(tǒng)抗生素治療的細(xì)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(yuǎn)超過(guò)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能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(xì)胞表面蛋白Bap，Bap在介導(dǎo)葡萄球菌生物被膜的形成中發(fā)揮重要作用。Bap是一個(gè)多結(jié)構(gòu)域蛋白，全長(zhǎng)蛋白含有2276個(gè)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(jìn)細(xì)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(dǎo)生物被膜形成的機(jī)制并不清楚。
2021年5月28日，清華大學(xué)生命學(xué)院方顯楊課題組在The EMBO Journal雜志發(fā)表了題為“葡萄球菌生物被膜相關(guān)蛋白開關(guān)調(diào)控功能性淀粉樣纖維和生物被膜形成的結(jié)構(gòu)機(jī)制(Structural mechanism for modulation of functional amyloid and biofilm formation by Staphylococcal Bap protein switch)”的研究論文。該項(xiàng)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BSP的N末端和C末端的中間模塊（Middle module，MM）由兩個(gè)串聯(lián)的全新的鈣離子結(jié)合基序組成。小角X射線散射（SAXS），核磁共振（NMR）和分子動(dòng)力學(xué)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(wú)序的構(gòu)象轉(zhuǎn)換。體外和體內(nèi)的生化實(shí)驗(yàn)表明，BSP的N端在酸性（pH <= 4.5）條件下通過(guò)液相-液相和液相-固相相變形成淀粉樣纖維并介導(dǎo)生物被膜形成。該過(guò)程受到低鈣離子條件下處于無(wú)序構(gòu)象的中間模塊（MM）的促進(jìn)，而鈣離子結(jié)合可促進(jìn)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(xì)菌都通過(guò)Bap形成生物被膜，對(duì)Bap蛋白介導(dǎo)金黃色葡萄球菌生物被膜形成的調(diào)控機(jī)制的揭示，有助于開展相關(guān)的藥物設(shè)計(jì)。
圖1. Bap形成淀粉樣纖維及介導(dǎo)金黃色葡萄球菌形成生物被膜的調(diào)控機(jī)制
該研究有以下重要發(fā)現(xiàn)：
1) BSP的N末端包含重復(fù)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)模塊，可作為支架蛋白介導(dǎo)液液相分離，并通過(guò)液固相變聚集為淀粉樣纖維。這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)可經(jīng)由相分離形成功能性淀粉樣纖維的細(xì)菌細(xì)胞表面蛋白，表明相分離過(guò)程在細(xì)菌功能性淀粉樣纖維的形成過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
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(lái)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。盡管曾被預(yù)測(cè)為EF-hand，晶體結(jié)構(gòu)表明，該基序形成了Loop-Helix-Loop的結(jié)構(gòu)且結(jié)合兩個(gè)鈣離子，與傳統(tǒng)的EF-hand形成Helix-Loop-Helix的結(jié)構(gòu)僅結(jié)合一個(gè)鈣離子完全不同，因而是一種全新的鈣離子結(jié)合基序。中間模塊通過(guò)感應(yīng)鈣離子和pH的變化而發(fā)生“無(wú)序?有序”之間的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，賦予細(xì)菌響應(yīng)外界環(huán)境信號(hào)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(jìn)而介導(dǎo)金黃色葡萄球菌生物被膜的形成。
清華大學(xué)生命學(xué)院方顯楊助理教授為文章的通訊作者, 2016級(jí)博士研究生馬俊鋒是文章的第一作者，研究助理程翔，2017級(jí)博士研究生徐鐘河，已畢業(yè)博士生張一堪對(duì)該課題做出了重要貢獻(xiàn)。西班牙納瓦拉公立大學(xué)I?igo Lasa教授，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室左孝兵博士為該項(xiàng)研究的重要合作者。清華大學(xué)高精尖創(chuàng)新中心王佳偉教授和范仕龍博士對(duì)晶體數(shù)據(jù)收集與處理進(jìn)行了指導(dǎo)和幫助。清華大學(xué)生命學(xué)院梁鑫副教授和醫(yī)學(xué)院張敬仁教授在實(shí)驗(yàn)材料方面給予了大力幫助。清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費(fèi)支持。
原文鏈接：https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2020107500
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