金黄色葡萄球菌生物被膜形成相关转录因子的结构生物学研究

Biofilm formation gives Staphylococcus aureus temporary resistant to antibiotics, and also helps it to evade from the immune system of patient. S. aureus biofilm-associated infections are difficult to treat with antibiotics and are becoming a very troublesome clinical type of disease. Biofilm dispersal has been largely concerned as a potential means of treating S. aureus biofilm-associated infections. However, present dispersal agents and the therapeutic strategy for S. aureus biofilm meet large challenges before being used in the clinic treatment. In this project, we plan to solve the 3D structure of the biofilm formation transcription regulator SarX with both of agr and ica systems and illuminate the mechanism of how SarX facilitates the biofilm formation in S. aureus. We also expect to find the potential novel rational therapeutic target for biofilm-associated infection treatment.

生物被膜的形成阻碍了抗生素及免疫系统对金黄色葡萄球菌的快速清除，延长了临床治疗周期，增大了形成耐药菌株的风险。抑制生物被膜的形成可以有效提高金葡菌感染的治疗效率，但现有生物被膜驱散药物及治疗策略存在诸多缺陷，无法在临床上广泛使用。近年来，申请人一直致力于揭示金葡菌关键生理过程的结构生物学基础，并希望由此找到可以有效控制金葡菌感染和增殖的潜在药物设计靶点。在本项目中，申请人拟综合运用结构生物学、生物化学和细胞生物学技术手段，解析金葡菌生物被膜形成关键调控因子SarX蛋白与agr转录系统及ica转录系统间各自的复合物三维结构，阐明其促进金葡菌生物被膜形成的分子机制；此外，我们还希望通过所获得的结合表面结构信息及DNA别构信息，发现能抑制金葡菌生物被膜形成的潜在药物设计靶点。上述研究工作的开展将为金黄色葡萄球菌生物被膜阻断剂的研究开发提供重要线索，为从转录水平阻止生物被膜的形成提供新的思路。

生物被膜的形成赋予了金黄色葡萄球菌暂时性抵御抗生素侵袭并逃避患者免疫系统清除的能力，使得金黄色葡萄球菌（特别是多重耐药金葡菌）感染日渐成为临床上非常棘手的疾病类型。SarX蛋白是金黄色葡萄球菌SarA家族全局转录调控因子成员之一，在耐药菌中，它可以结合到agr操纵子上并抑制RNA II基因的转录，使溶菌酶及各种毒力因子的分泌表达大幅降低甚至停滞，从而引导金葡菌转入耐受持留状态，并为生物被膜形成提供适宜的胞外环境。我们重组表达了SarX蛋白，通过体外相互作用实验确定该蛋白与agr转录系统P2启动子之间的特异性识别区段；通过晶体学、冷冻电镜等结构生物学方法解析SarX蛋白自身单体结构及其与P2启动子的复合物结构，揭示该蛋白识别特定DNA底物的结构基础；结合负染电镜结构分析、突变体DNA结合实验及细胞生物学实验，我们发现SarX蛋白在高浓度条件下，可以通过形成核酸蛋白丝的方式引发agr启动子的结构和功能变化，这一发现阐明了该蛋白抑制agr转录系统的分子机理。此外我们还通过多种agr启动子调控基因的竞争性结合实验，发现SarX蛋白在特定浓度条件下，对于其他转录调节因子具有无差别的清除能力，证明该蛋白在决定金黄色葡萄球菌重要生存状态转折过程中起到了至关重要的作用。在课题经费支持下，我们圆满完成了课题既定研究目标：培养了3名博士、1名硕士，为结构生物学的进一步发展提供了优秀的后备人才；在包括《美国科学院院报》、《ACS Catalysis》、《FEBS Journal》、《JBC》在内的著名国际学术期刊发表标注资助号的论文共7篇，课题负责人均为文章通讯作者；累计向PDB数据库中提交课题相关蛋白质三维结构20个。