金属铜离子氧化调控金黄色葡萄球菌碳源代谢蛋白A(CcpA)功能的结构基础和分子机制

Staphylococcus aureus (S. aureus), a world-wide spread human pathogen, causes series of human diseases ranging from minor skin infections to life-threatening sepsis. In particular, the emergence of drug-resistant strains of the bacteria, such as methicillin-resistant and vancomycin-resistant S. aureus has posed a threat to public health worldwide. Carbon catabolite repression (CCR) is an important global control system of various bacteria, which allows bacteria to adapt quickly to a preferred carbon source first. S. aureus CcpA (SaCcpA) is not only the key regulatory protein for carbon metabolism but also affects antibiotic resistance, biofilm formation, toxin expression and even infectivity of this bacterium, implying its critical role as an important global regulator for bacterial metabolism as well as virulence. However, the bacterial regulatory mechanism(s) that modulates the DNA binding properties of the SaCcpA is not fully understood. Our preliminary data indicated that the DNA binding properties of SaCcpA is sensitive to oxidizing agent, which lead to the hypothesis that oxidative stress could modulate the SaCcpA function. This study might not only reveal the new regulatory mechanism of SaCcpA function, but also help to design a better anti-virulence therapy strategy to combat S. aureus pathogenesis.

由于抗生素滥用导致大量耐药性金黄色葡萄球菌的出现，已经严重威胁到全球人类生命健康。金黄色葡萄球菌可通过释放出各种毒力因子引起人体组织反应性损伤，明确金黄色葡萄球菌毒力因子的调控机制能够为发展新型抗菌策略提供新的思路。碳源代谢蛋白A (CcpA) 是金黄色葡萄球菌一类重要基因调控蛋白，直接影响多种细菌毒素表达分泌以及菌膜的形成。本项目拟在前期研究的基础上，利用化学生物学、分子生物学以及结构生物学等多学科交叉互补的研究手段，从分子-细胞-动物模型等多个层面研究铜离子氧化信号对CcpA功能的影响。通过比较氧化前后与DNA结合能力，蛋白质分子结构，细菌转录组水平以及对小鼠模型感染能力的变化，揭示铜离子氧化对CcpA功能调控的结构基础和分子机制。本项目研究有助于明确金黄色葡萄球菌毒力因子新的调控机制，为以金黄色葡萄球菌毒力因子为靶标的抗毒素治疗策略提供理论基础。

抗微生物药物耐药性（Antimicrobial resistance,AMR）日益成为全球公共卫生的严重威胁，因此亟需发展新型的抗菌策略。人类常见致病菌金黄色葡萄菌通过释放出各种毒力因子引起人体组织反应性损伤，因此明确金黄色葡萄球菌毒力因子的调控机制能够为发展新型抗菌策略提供新的思路。代谢调控蛋白A (CcpA) 是金黄色葡萄球菌一类重要基因调控蛋白，直接影响多种细菌毒素表达分泌以及菌膜的形成。本项目利用化学生物学、分子生物学、结构生物学以及微生物学等多学科交叉互补的研究手段，从分子-细胞等多个层面深入研究铜离子氧化信号对CcpA功能的影响。生化和结构生物学数据显示CcpA是金属铜离子的感应蛋白，二价金属铜离子能够氧化CcpA蛋白序列上的两个半胱氨酸残基(Cys216和Cys242)，催化CcpA分子间二硫键的形成，促使CcpA形成同源四聚体并改变空间构象，从而抑制CcpA与DNA的结合能力。进一步在细胞层面上，我们发现外源加入的金属铜离子能够通过氧化CcpA从而调控其下游基因的转录水平。最后我们发现CcpA中的两个半胱氨酸对细菌抵抗外界氧化和免疫压力发挥着重要作用。通过本项研究，我们首次揭示了外界环境的氧化应激是除了Hpr蛋白结合和蛋白磷酸化之外，影响CcpA基因调控功能的第三种机制。CcpA多样的功能调控机制也凸显了其对细菌的重要性，为发展以CcpA为靶标的抗菌小分子抑制剂提供了重要的理论基础。