...細菌藥物耐受相關的乙醯基轉移酶類毒素-抗毒素系統的轉錄調控...

2020-12-10 上海交通大學新聞網

近日，分子生物學知名刊物《Nucleic Acids Research》發表了上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室歐竑宇研究組、賀新義研究組及復旦大學生命科學學院甘建華研究組的合作論文「Toxin-antitoxin operon kacAT of Klebsiella pneumoniae is regulated by conditional cooperativity via a W-shaped KacA-KacT complex」。該研究探討了與細菌耐受抗菌藥物相關的II型毒素-抗毒素系統，進一步闡明了乙醯基轉移酶類GNAT-RHH毒素-抗毒素系統的轉錄調控機制。錢宏亮和於昊同學為共同第一作者，歐竑宇、賀新義和甘建華教授為共同通訊作者。

細菌II型毒素-抗毒素系統（Toxin-antitoxin system, TA）由一個編碼毒素蛋白和抗毒素蛋白的操縱子組成,與移動元件的遺傳穩定性以及細菌對抗菌藥物的耐受性密切相關。近期，在腸道沙門菌和致病大腸桿菌中報導了一類新的TA毒素蛋白——乙醯基轉移酶GNAT毒素。GNAT通過乙醯化氨醯tRNA的胺基酸以阻遏蛋白質的正常翻譯，而RHH抗毒素則可中和GNAT毒素的毒性。歐竑宇研究組在更新細菌毒素-抗毒素系統資料庫TADB時，發現了乙醯基轉移酶類GNAT-RHH TA廣泛分布於腸桿菌科細菌中 (Xie, et al., Nucleic Acids Res, 2018)；隨後，與甘建華研究組合作鑑定了碳青黴烯耐藥肺炎克雷伯菌中的GNAT-RHH系統KacAT，解析了GNAT毒素蛋白KacTY145F的晶體結構，發現GNAT毒素KacT的過表達可顯著地提高肺炎克雷伯菌在高濃度美羅培南壓力下的存活率 (Qian, et al., Molecular Microbiology, 2018, cover story)。KacAT複合物與kacAT啟動子DNA特異性結合，實現轉錄的反饋抑制；但精確的分子機制尚待闡明。

該研究發現了GNAT-RHH TA系統的轉錄調控存在條件協同機制。採用晶體學技術，解析了KacAT-DNA複合物的結構，發現了KacAT形成新穎的KacT-KacA2-KacA2-KacT異源六聚體，空間排布形式類似於字母W。抗毒素蛋白KacA的C-端結構域存在兩種不同的摺疊構象，分別與毒素蛋白KacT表面的不同區域互作，抑制KacT形成功能二聚體。抗毒素蛋白KacA的N-端形成兩個RHH結構域，與啟動子DNA相鄰的兩個大溝面相互作用，抑制kacAT操縱子的轉錄。隨後開展的KacA和KacT野生型和突變體的ITC、EMSA和SEC-MALS等體外實驗，以及KacA-KacT胞內表達等實驗，表明了kacAT轉錄抑制的阻遏強度由[KacT]:[KacA]濃度比來調控。毒素KacT與抗毒素KacA形成蛋白複合物後，增強了KacA與DNA的結合；當[KacT]:[KacA]濃度接近1:2時，形成穩定的KacAT六聚體，對KacAT操縱子形成強阻遏；當細菌受到抗菌藥物等壓力刺激時，抗毒素蛋白KacA被蛋白酶降解，KacAT複合物受到游離KacT的破壞，轉錄抑制被解除。乙醯基轉移酶類GNAT-RHH TA系統轉錄機制的解析，將有助於闡明細菌耐受抗菌藥物的生理與代謝變化機制，將可能為臨床精準抗感染策略制定和新抗菌藥物的靶點研發提供依據。

論文發表後引起同行廣泛關注，入選F1000Prime推薦論文。該研究工作獲得了973等項目的資助。

原文連結: https://academic.oup.com/nar/article/47/14/7690/5526705 


圖1. 肺炎克雷伯菌中碳青黴烯藥物耐受相關的乙醯基轉移酶類毒素-抗毒素系統KacAT的轉錄調控機制。(A) KacAT-DNA複合物結構；(B) KacAT複合物與啟動子DNA特異性結合，結合強度由[KacT]:[KacA]濃度比來調控；(C) KacAT的條件協同轉錄調控機制。

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