中國科大解析致病菌細(xì)胞壁成分胞壁酸翻轉(zhuǎn)酶的結(jié)構(gòu)和功能機(jī)制
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和生命科學(xué)學(xué)院陳宇星教授、周叢照教授和孫林峰教授課題組合作闡明了金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）胞壁酸（WTA）翻轉(zhuǎn)酶TarGH轉(zhuǎn)運(yùn)WTA的機(jī)制和TarGH特異性抑制劑Targocil的抑制機(jī)制。該研究成果以“Cryo-electron Microscopy Structure and Transport Mechanism of a Wall Teichoic Acid ABC Transporter”為題于2020年3月17日在線發(fā)表在微生物領(lǐng)域?qū)I(yè)雜志mBio上。
耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）是主要的臨床致病菌之一，其引發(fā)的感染難以治愈甚至可能致死。由于近年來抗生素濫用，出現(xiàn)了對所有的β-內(nèi)酰胺類藥物都具有抗性的MRSA菌株。研究表明S. aureus細(xì)胞壁主要成分WTA是引起耐藥性的關(guān)鍵因素之一。在革蘭氏陽性菌中，WTA是一類共價連接在肽聚糖上的陰離子多聚物。WTA在細(xì)菌分裂、生物膜形成、宿主定殖以及細(xì)菌感染等過程中起著重要作用。因此，WTA合成路徑中的關(guān)鍵酶是新型抗菌藥物的重要靶點(diǎn)。在S. aureus中，WTA合成前體是N-乙酰葡糖胺修飾的多聚核糖醇長鏈，其通過共價鍵連接在錨定在細(xì)胞膜上的脂質(zhì)載體Und-PP上。該Und-PP連接的多聚核糖醇長鏈前體先在細(xì)胞內(nèi)完成合成，最后通過ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TarGH翻轉(zhuǎn)出細(xì)胞膜。作為最具潛力的抗生素靶標(biāo)之一， TarGH及其抑制劑得到廣泛研究。先導(dǎo)化合物小分子Targocil是近期被鑒定出來特異性抑制TarGH效率較高的抑制劑，但是其抑制的分子機(jī)制并不清楚。
為闡明TarGH轉(zhuǎn)運(yùn)WTA的機(jī)理以及Targocil的抑制機(jī)制，作者用冷凍電鏡方法，解析了金黃色葡萄球菌WTA翻轉(zhuǎn)酶TarGH的同源蛋白，來自Alicyclobacillus herbarius菌的 TarGH結(jié)構(gòu)。其同源性為50%。TarGH結(jié)構(gòu)總體分辨率為3.9 Å，其核心結(jié)構(gòu)區(qū)域分辨率達(dá)到3.6 Å。由于未結(jié)合ATP，TarGH結(jié)構(gòu)處于開口朝向細(xì)胞內(nèi)的構(gòu)象狀態(tài)。基于結(jié)構(gòu)，作者計算出了底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道，通過對組成通道的氨基酸殘基性質(zhì)分析并結(jié)合生理實(shí)驗(yàn)，闡明了底物特異性識別機(jī)制。通過結(jié)構(gòu)比對作者提出TarGH及其同源蛋白利用“曲柄連桿”原理來實(shí)現(xiàn)底物轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制。具有類似結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白都可以利用這一機(jī)制通過相對微小的總體構(gòu)象變化轉(zhuǎn)運(yùn)較大的底物。作者進(jìn)一步通過生化實(shí)驗(yàn)和計算機(jī)模擬確定了Targocil結(jié)合TarGH的精確位點(diǎn)，并闡明了其抑制TarGH轉(zhuǎn)運(yùn)胞壁酸的分子機(jī)制。研究結(jié)果將為設(shè)計和優(yōu)化針對MRSA的新型抗生素提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。
中國科大陳宇星教授、周叢照教授和孫林峰教授為該論文的共同通訊作者。博士畢業(yè)生陳黎和特任副研究員侯文韜為該論文的共同第一作者。晶體衍射數(shù)據(jù)收集在上海光源完成。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作在中科院生物物理所生物成像中心完成。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的資助。
文章鏈接：https://mbio.asm.org/content/11/2/e02749-19
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