结构生物化学实验室

肺炎链球菌细胞壁和荚膜合成调控及其致病机理

   

肺炎链球菌是主要的人类呼吸道病原菌,每年在全世界造成数百万人死亡。其细胞壁的主要组分多聚肽聚糖是由β (1-4)糖苷键相连的 N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸组成的多糖链通过茎肽交联形成的三维网状结构。细菌生长过程中需要维持肽聚糖合成和降解的动态平衡,既有各种糖基转移酶参与新生肽聚糖的合成,也有多种糖苷酶对其进行修剪。一方面肽聚糖是致病菌在感染宿主过程中的一个致命弱点,另一方面它又可以被修剪以抑制宿主的免疫应答从而使得细菌成功入侵宿主。维持肽聚糖的稳态对于细胞生存、生长和分裂十分重要,肽聚糖合成酶和水解酶何时发挥作用、如何作用都需要被严格调控。

细胞壁外由多糖组成的荚膜既是肺炎链球菌最主要的毒力因子,也是其防御宿主免疫吞噬的第一道屏障。参与荚膜多糖合成和调控其合成的蛋白质一直是预防和治疗肺炎链球菌的疫苗和抗菌药物发展的重要靶标。对荚膜多糖合成途径的结构基础和调控机理的阐明将有助于我们理解肺炎链球菌的毒力多态性,并可以指导新型疫苗和药物的开发。

自1928年发现青霉素以来,抗生素已经成为治疗细菌感染的主要手段。现在全世界每年要生产超过1,000,000吨的抗生素,同时也导致越来越多的致病菌具有耐药性,甚至具备了同时抵抗多种抗生素(和化学试剂)的多重耐药性。微生物产生耐药性的主要机制之一是通过降低药物的渗透性和/或提升药物泵出细胞的能力,进而降低了药物的积累。这些能够将药物泵出细胞的药物外排泵主要包括五个家族的膜蛋白。对这些膜蛋白结构和功能的研究,可以确定药物识别的关键位点以及药物外排的分子机理,从而实现理性的药物改造和新药设计。

前期成果包括:一系列肺炎链球菌细胞表面糖苷酶的结构解析和底物特异性研究,包括N-乙酰己糖苷酶StrH(J Biol Chem2011),β-半乳糖苷酶BgaC(J Biol Chem2012),6-磷酸-β-葡萄糖苷酶 BglA-2(J Biol Chem2013)等。革兰氏阳性菌细胞表面特有的丝氨酸重复糖蛋白SRRP的结构和糖基化机理研究,解析了金葡菌SRRP蛋白SraP的底物识别区的晶体结构,阐明了SraP介导金葡识别宿主的分子机理(PLoS Pathogens2014),系统研究了肺炎链球菌SRRP蛋白PsrP的糖基化机理和相关的糖基转移酶的结构和功能(J Biol Chem2014)。解析了一系列参与肺炎链球菌细胞壁水解和重构的酶的三维结构和工作机理,包括肺炎链球菌主要自溶素LytA的结构和激活机制(Acta Crystal D2015),细胞分裂晚期特异性的肽聚糖水解酶LytB(J Biol Chem2014)和负责肽聚糖修剪的L,D-羧肽酶DacB(Acta Crystal D2015)的三维结构和底物特异性。

蓝细菌碳氮代谢协同的转录调控和异形胞分化

   

蓝细菌起源于30亿年前的太古代,是地球上最古老的原核生物之一。它通过光合作用产生氧气,引发了26亿年前地球表面大气层向氧化环境的转变。其悠久的历史和顽强的生命力主要得益于它对维持生命所需的两种最基本元素碳和氮的代谢平衡的精密调控。我们分别以单细胞的集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803和丝状蓝细菌Anabaena sp. PCC 7120这两大模式蓝细菌为研究对象,深入全面地研究一批关键转录因子(如NtcA、NtcB、HetR、CcmR、CmpR等)的结构和功能,以阐明蓝细菌碳氮代谢平衡转录调控的分子机制。该研究除了具有重要的基础生物学意义之外,还有着广阔的应用前景。不仅为研究蓝藻导致的水华污染提供理论基础,而且可指导基于碳氮代谢平衡的植物抗逆和增产的品种改良。

前期成果包括:蓝细菌氮代谢调节因子NtcA的晶体结构和别构机制(PNAS2010);PII-PipX复合物的三维结构(J Mol Biol2010;PNAS2013);异形胞发育调控因子HetR的DNA结合模式和失活机理(Scientific Reports2015);多糖合成途径中的一系列糖基转移酶和异构酶的三维结构和催化机理(Glycobiology2016)。