金黄色葡萄球菌生物被膜相关蛋白的结构与功能研究

Staphylococcus aureus is an important opportunistic pathogen that usually cause chronic biofilm-associated infections leading to significant increases in morbidity and mortality. Recent evidence suggest that a group of surface proteins play a leading role in mediating the biofilm formation in diverse bacteria. The first member of this group of proteins was identified in a Staphylococcus aureus bovine mastitis isolate and was named Bap (biofilm associated protein). Bap is a large, multidomain protein containing a core domain of tandem repeats. Currently, little structural information is available for Bap. In this project, we aim to solve the high resolution structure of the B and C domains of Bap protein, and characterize the solution structure of full length Bap protein and it was regulated by environmental factors. We will further study the structure-and -function relationship of Bap protein by both in vitro and in vivo experiments, to reveal the molecular mechanism of Bap protein in mediating biofilm formation, to provide clues for drug and vaccine development targeted Bap protein.

金黄色葡萄球菌是一种重要的机会型病原菌，常引起与生物被膜有关的慢性感染，导致发病率和致死率的显著升高。新近的研究表明，一大类表面蛋白在许多细菌中的生物被膜形成过程中发挥主导作用，这类蛋白的第一个成员是从金黄色葡萄球菌奶牛乳腺炎菌株中发现的，即生物被膜相关蛋白。Bap蛋白是一个多结构域的大分子量蛋白，包含一个带有多个重复序列的核心区。目前，关于Bap蛋白的结构信息还很少。在本项目中，我们将整合运用X射线晶体学、核磁共振、小角X射线散射技术及其它生物物理方法，解析Bap蛋白B结构域、C结构域的高分辨率结构、研究其全长的溶液结构及不同溶液环境对其的影响。结合生化实验和体内实验，探讨其结构与功能的关系，揭示其介导生物被膜形成的分子机制，为开展针对Bap蛋白的药物和疫苗设计提供依据。

金黄色葡萄球菌Bap蛋白是一个多结构域蛋白，全长蛋白含有2276个氨基酸。最近的研究表明，Bap蛋白的N末端在低pH和低钙下易于聚集形成功能性淀粉样纤维，并且促进细菌聚集和生物被膜的形成。然而，Bap蛋白响应环境变化调控淀粉样纤维的形成以及介导生物被膜形成的机制并不清楚。Bap蛋白还包含一个具有多重重复序列的C结构域，其结构与生理功能仍不清楚。（1）我们解析了Bap蛋白N末端BSP结构域的高分辨率晶体结构，该结构呈现哑铃形折叠，连接BSP的N末端和C末端的中间模块（Middle module，MM）由两个串联的全新的钙离子结合基序组成。小角X射线散射（SAXS），核磁共振（NMR）和分子动力学模拟数据表明，中间模块响应钙离子浓度变化发生从有序到无序的构象转换。体外和体内的生化实验表明，BSP的N端在酸性（pH <= 4.5）条件下通过液相-液相和液相-固相相变形成淀粉样纤维并介导生物被膜形成。该过程受到低钙离子条件下处于无序构象的中间模块（MM）的促进，而钙离子结合可促进中间模块的紧凑折叠，并与周边模块形成相互作用网络，从而抑制相分离发生以及生物被膜的形成。由于许多细菌都通过Bap形成生物被膜，对Bap蛋白介导金黄色葡萄球菌生物被膜形成的调控机制的揭示，有助于开展相关的药物设计。（2）我们用NMR解析了Bap蛋白C结构域的一个重复序列C1的溶液结构，解析了Bap蛋白C结构域含二个重复序列C2的晶体结构。结合定点突变，ITC和NMR，我们研究了C2结合钙离子的关键残基。结合小角X射线散射数据和计算模拟，构建了C2-C5在有无钙离子存在下的溶液结构模型，以及全长Bap蛋白的溶液结构模型。这些成果将为深入研究C结构的生理功能提供启示。