中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部孫寶林教授課題組揭示了金黃色葡萄球菌一氧化氮合成酶NOS及其內(nèi)源產(chǎn)生的NO通過介導(dǎo)靶蛋白的S-亞硝基化修飾以調(diào)控萬古霉素耐藥性發(fā)生的具體分子機(jī)制。研究成果以“Transcription tuned by S-nitrosylation underlies a mechanism forStaphylococcus aureusto circumvent vancomycin killing”為題于4月21日在線發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。
金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是人類主要致病細(xì)菌，由甲氧西林耐藥性金黃色葡萄球菌（methicillin-resistantS. aureus，MRSA）引發(fā)的感染正嚴(yán)重威脅公共健康安全。萬古霉素被認(rèn)為是臨床上治療嚴(yán)重MRSA感染的最后一道防線，但是，其中度耐藥性金黃色葡萄球菌（vancomycin-intermediateS. aureus，VISA）的頻繁出現(xiàn)，為MRSA的感染治療帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，深入解析金黃色葡萄球菌萬古霉素耐藥機(jī)制具有重要的臨床意義。一氧化氮（nitric oxide，NO）可作為信號分子，首先在真核生物中被發(fā)現(xiàn)可由一氧化氮合成酶（nitric oxide synthase，NOS）內(nèi)源產(chǎn)生，參與調(diào)節(jié)各種生理及免疫功能。NO被報道能對蛋白質(zhì)半胱氨酸殘基的巰基進(jìn)行S-亞硝基化修飾，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的活性和功能。金黃色葡萄球菌中也被證實(shí)存在可以催化產(chǎn)生NO的NOS，該酶被報道參與調(diào)控金黃色葡萄球菌的萬古霉素耐藥性，但相關(guān)分子機(jī)制尚不明確。
圖1. NOS通過S-亞硝基化修飾介導(dǎo)萬古霉素耐藥性的分子機(jī)制。當(dāng)存在內(nèi)源NO時，MgrA和WalR發(fā)生S-亞硝基化修飾（SNO），促進(jìn)對自溶相關(guān)靶基因的負(fù)調(diào)控功能，導(dǎo)致細(xì)胞的自溶活性下降，介導(dǎo)細(xì)胞壁厚度增加，進(jìn)而促進(jìn)金黃色葡萄球菌的萬古霉素耐藥性。
研究人員在臨床VISA菌株XN108中，通過構(gòu)建NOS突變菌株以及外源添加NOS抑制劑，證實(shí)了金黃色葡萄球菌NOS在萬古霉素等細(xì)胞壁靶向抗生素抗性發(fā)生過程中的重要作用。接下來，利用蛋白質(zhì)修飾組學(xué)的方法鑒定了金黃色葡萄球菌中可被內(nèi)源NO亞硝基化修飾的靶標(biāo)蛋白及相應(yīng)位點(diǎn)。一個與抗生素抗性具有重要關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)錄因子MgrA上第12位的半胱氨酸發(fā)生了S-亞硝基化修飾，通過將半胱氨酸替換為不能被修飾的絲氨酸構(gòu)建了mgrAC12S點(diǎn)突變菌株，發(fā)現(xiàn)NOS突變菌株類似，mgrAC12S突變菌株對萬古霉素的抗性顯著下降、細(xì)胞壁厚度顯著下降以及細(xì)胞自溶活性增加。通過實(shí)時熒光定量PCR、凝膠阻滯遷移實(shí)驗(yàn)、染色質(zhì)免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)等方法，揭示了金黃色葡萄球菌NOS及其內(nèi)源產(chǎn)生的NO在促進(jìn)萬古霉素抗性中的作用機(jī)制（圖1）：NOS來源的NO通過介導(dǎo)MgrA發(fā)生S-亞硝基化修飾，促進(jìn)MgrA對自溶相關(guān)靶基因的負(fù)調(diào)控功能，導(dǎo)致細(xì)胞的自溶活性下降，介導(dǎo)細(xì)胞壁厚度增加，進(jìn)而促進(jìn)金黃色葡萄球菌的萬古霉素耐藥性。這種由NO介導(dǎo)的調(diào)控機(jī)制在另一個被鑒定到可發(fā)生S-亞硝基化修飾的轉(zhuǎn)錄因子WalR中得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證，表明金黃色葡萄球菌NOS內(nèi)源產(chǎn)生的NO通過S-亞硝基化修飾介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制在細(xì)菌中可能具有普遍性。本研究有望為臨床治療VISA及其他細(xì)菌病原體的感染提供新的思路與策略。
本論文第一作者為孫寶林教授課題組的博士研究生舒雪琴，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫寶林教授和北京兒童醫(yī)院的于丹副研究員。該工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37949-0
（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）
