金黄色葡萄球菌识别并捕获过渡金属离子的结构生物学机制

过渡金属，如锌、铁、铜、锰、镍等，对所有形式的生命都是必不可少的元素。生物体内超过30%的蛋白含有过渡金属离子。过渡金属离子具有独特的化学性质，能够作为酶反应的催化中心或者保持功能蛋白质的结构完整，还可以作为信号分子行使功能，从而参与DNA的复制、转录，细胞增殖、分化、凋亡等方面的功能调控。过渡金属离子的获取对病原细菌极为重要，是病原菌成功侵入宿主、自身繁殖、导致疾病的关键。金黄色葡萄球菌是一种极具危害的革兰氏阳性菌，轻可引起轻微的皮肤化脓感染，重则导致危及生命的重大疾病，如伪膜性肠炎、肺炎、全身化脓性感染等，尤其是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）作为引起院内感染及社区感染的罪魁祸首，已成为名符其实的“超级细菌”。

研究病原菌如何入侵宿主细胞、攫取金属离子并引发疾病的机制，对于预防和治疗MRSA感染至关重要。2016年，Pascal Arnoux等人在Science上曾报道了一种新的小分子金属螯合剂葡萄胺（staphylopine），该物质由Cnt转运子上游的三个蛋白CntK/L/M合成。进一步的研究发现，它能够结合并调节Ni²⁺、Zn²⁺、 Co²⁺等过渡金属离子的转运，从而导致金黄色葡萄球菌的致病性。但葡萄胺/金属离子络合物如何识别转运的分子机制尚不清楚。

最近，上海科技大学的季泉江（点击查看介绍）研究团队破解了人类病原菌金黄色葡萄球菌依赖小分子葡萄胺识别并捕获过渡金属离子的结构生物学机制。该课题组首先通过等温量热滴定分析（ITC）发现，溶质结合蛋白CntA会有效结合葡萄胺/金属离子络合物，如葡萄胺/ Co²⁺、葡萄胺/Ni²⁺等，但与单独的小分子葡萄胺或二价金属离子没有相互作用。随后，该课题组成功解析了与金属离子转运相关的CntA蛋白单体以及CntA/葡萄胺/金属离子三元复合物的多种晶体结构，并发现葡萄胺/金属离子的识别会导致CntA结构构象上非常显著的变化。研究还发现，CntA结合口袋中与葡萄胺/金属离子识别密切相关的10个氨基酸残基（Y27、W103、R140、R225、R393、Q404、W406、Y410、N423、Y497），从分子层面揭示了CntA与葡萄胺/金属离子复合物的相互作用模式。同时，他们利用课题组自主开发的金黄色葡萄球菌中基于CRISPR/Cas9的基因组编辑技术（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 3790），快速高效地实现了基因组上5个关键位点的突变，证实了葡萄胺/金属离子络合物的转运识别过程对于过渡金属离子获取的关键作用。这些研究通过结构生物学以及生物化学手段发现了金黄色葡萄球菌捕获过渡金属离子过程中葡萄胺/金属离子络合物识别转运的分子机制，揭示了金黄色葡萄球菌中CntA与葡萄胺及金属离子（Zn²⁺、 Co²⁺、Ni²⁺）的详细相互作用模式，拓展了金黄色葡萄球菌致病机制的研究。该工作也为其他病原菌中过渡金属离子新型捕获机制的研究以及相关抗感染和治疗手段的开发提供了一定的理论基础。

（A）CntA/葡萄胺/ Co²⁺复合物的三维结构；（B）（C）CntA与葡萄胺/ Co²⁺相互作用的示意图

这一研究成果近期发表在Proc. Natl. Acad. Sci. USA 上，季泉江课题组的博士后宋立强为论文的第一作者，2016级硕士研究生张翼飞为论文的第二作者，季泉江为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。

该论文作者为：Liqiang Song, Yifei Zhang, Weizhong Chen, Tongnian Gu, Shu-Yu Zhang and Quanjiang Ji

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Mechanistic insights into staphylopine-mediated metal acquisition

Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2018, 115, 3943, DOI: 10.1073/pnas.1718382115

导师介绍

季泉江

http://www.x-mol.com/university/faculty/21447

课题组主页

http://spst.shanghaitech.edu.cn/2018/0301/c2349a17396/page.htm