分子伴侣CsgE/CsgF调控Curli分泌和组装的结构和功能研究

Curli is functional amyloid with its secretion and assembly modulated by bacterial curli secretion system. As the major structure component of bacterial biofilm, Curli mediates the adhesion and invasion between the bacteria and host cells, results in the antibiotic resistance and escapes from the host immune elimination. The Chaperone CsgE and CsgF plays a critical role in the secretion, folding, cell membrane anchoring and assembly of curli subunits CsgA and CsgB, however the molecular mechanism of those procedures are still elusive. We will apply the integrative structural biology approach, firstly we aim to solve the crystal structures of the CsgE-CsgG complex of the secretion and CsgF-CsgB complex of the cell membrane anchoring, further the molecular mechanism of how CsgE prevent the CsgA folding into the β sheet rich structure will be revealed, what is especially noteworthy, the CsgE and CsgF knockout strain and the mutants of the key regulation amino acids will be carried out to investigate the physiological roles of the CsgE and CsgF. The atomic resolution crystal structure information and the physiological study will provide systematic view of the molecular mechanism of the Chaperone CsgE and CsgF in the Curli secretion and assembly. The study will enlighten the molecular mechanism study of the chaperone role in the human neuron toxic amyloid folding and guide to develop new strategies based on biofilm formation inhibition for the bacterial anti-infection therapy.

Curli是由细菌Curli分泌系统分泌和组装的功能性淀粉样蛋白，作为细菌生物膜重要的结构功能部件，它介导细菌与宿主细胞间的粘附和侵染，导致细菌抗生素抵抗并逃逸宿主的免疫清除。该分泌系统中的分子伴侣CsgE和CsgF在Curli组分CsgA和CsgB的分泌，折叠以及细胞膜定位与组装中发挥了至关重要的作用，而其调控分子机制还不明确。本项目采用一体化结构生物学方案，解析Curli分泌过程中CsgE与外膜孔道蛋白CsgG相互作用，膜定位过程中CsgF与CsgB相互作用复合物晶体结构，同时揭示CsgE在周质区识别并抑制CsgA折叠为成熟富β折叠结构的分子机制，在此基础上构建基因敲除和关键氨基酸位点突变的菌株明确分子伴侣在生理水平的调控机制。系统性的阐明分子伴侣CsgE和CsgF在Curli分泌和组装中的原子水平晶体结构及生理水平调控分子机制，并为以抑制生物膜形成为基础的细菌抗感染治疗提供新的策略。

细菌生物膜的形成和多重耐药是临床细菌感染治疗的难点和挑战。本项目以细菌生物膜的重要结构功能部件Curli分泌系统以及多重耐药的响应调控系统为研究对象，使用一体化结构生物学的方法，详细阐述了沙门氏杆菌Curli分泌系统重要组分调控Curli分泌和组装以及鲍曼不动杆菌响应调控因子介导其多重耐药的分子机制。..本项目的研究成果主要包括三个方面：（1）成功构建并且纯化了Curli分泌系统重要调控组分CsgD，CsgE，CsgF的重组蛋白，结晶并且解析了CsgD调控结构域2.0埃的原子分辨率结构，并且建立Curli分泌系统敲除和点突变体系， 在原子水平晶体结构和生理水平系统阐述了CsgD调控Curli分泌系统的分子机制。（2）揭示响应调控因子AdeR可以通过识别其与AdeABC之间的一段顺反子DNA序列而调控AdeABC运输泵的表达水平。报道了AdeR调控结构域 1.4埃，AdeR调控结构域与金属镁离子复合物1.6埃以及AdeR DNA结合区域与其靶向的25bp的顺反子DNA的复合物2.75埃晶体结构并且通过小角度X射线散射实验验证了它们在生理条件下的组装状态，系统性的阐明了直接调控AdeABC药物运输泵的响应调控因子AdeR的调控分子机制。（3）揭示了纳米抗体识别介导病原微生物和宿主相互作用的巨噬细胞表面补体受体Vsig4的结构分子机制。..通过对沙门氏杆菌生物膜形成中Curli分泌系统以及响应调控因子介导鲍曼不动杆菌多重耐药的结构和分子机制研究，以及使用纳米抗体作为手段介导病原微生物和宿主相互作用的结构研究，将为新的抗生素药物的研发以及寻找新的抗感染治疗手段提供依据。