Bap蛋白調控淀粉樣纖維以及介導生物被膜形成的機制

　　近年來，由多重耐藥性金黃色葡萄球菌引起的院內感染已對全人類的健康構成極大威脅。全球每年有近100萬人死于無法用傳統抗生素治療的細菌感染，其中，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌造成的死亡病例遠超過由艾滋病和肺結核引起的死亡病例總和。金黃色葡萄球菌的耐藥性往往與其能形成生物被膜密切相關。人們很早就在奶牛源金黃色葡萄球菌中發現一種被稱作生物被膜相關蛋白（Biofilm associated proteins）的細胞表面蛋白Bap，Bap在介導葡萄球菌生物被膜的形成中發揮重要作用。Bap是一個多結構域蛋白，全長蛋白含有2276個氨基酸。最近的研究表明，Bap蛋白的N末端在低pH和低鈣下易于聚集形成功能性淀粉樣纖維，并且促進細菌聚集和生物被膜的形成。然而，Bap蛋白響應環境變化調控淀粉樣纖維的形成以及介導生物被膜形成的機制并不清楚。

　　2021年5月28日，清華大學生命學院方顯楊課題組在The EMBO Journal雜志發表了題為“葡萄球菌生物被膜相關蛋白開關調控功能性淀粉樣纖維和生物被膜形成的結構機制(Structural mechanism for modulation of functional amyloid and biofilm formation by Staphylococcal Bap protein switch)”的研究論文。該項工作解析了Bap蛋白N末端BSP結構域的1.9 ?的高分辨率晶體結構，該結構呈現啞鈴形折疊，連接BSP的N末端和C末端的中間模塊（Middle module，MM）由兩個串聯的全新的鈣離子結合基序組成。小角X射線散射（SAXS），核磁共振（NMR）和分子動力學模擬數據表明，中間模塊響應鈣離子濃度變化發生從有序到無序的構象轉換。體外和體內的生化實驗表明，BSP的N端在酸性（pH <= 4.5）條件下通過液相-液相和液相-固相相變形成淀粉樣纖維并介導生物被膜形成。該過程受到低鈣離子條件下處于無序構象的中間模塊（MM）的促進，而鈣離子結合可促進中間模塊的緊湊折疊，并與周邊模塊形成相互作用網絡，從而抑制相分離發生以及生物被膜的形成。由于許多細菌都通過Bap形成生物被膜，對Bap蛋白介導金黃色葡萄球菌生物被膜形成的調控機制的揭示，有助于開展相關的藥物設計。

　　該研究有以下重要發現：

　　1) BSP的N末端包含重復串聯的結構模塊，可作為支架蛋白介導液液相分離，并通過液固相變聚集為淀粉樣纖維。這是迄今為止發現的第一個可經由相分離形成功能性淀粉樣纖維的細菌細胞表面蛋白，表明相分離過程在細菌功能性淀粉樣纖維的形成過程中發揮重要作用。

　　2) BSP的中間模塊作為一種新穎的鈣離子結合基序，其結構與近年來在真核和原核生物中發現的多種鈣離子結合基序完全不同。盡管曾被預測為EF-hand，晶體結構表明，該基序形成了Loop-Helix-Loop的結構且結合兩個鈣離子，與傳統的EF-hand形成Helix-Loop-Helix的結構僅結合一個鈣離子完全不同，因而是一種全新的鈣離子結合基序。中間模塊通過感應鈣離子和pH的變化而發生“無序?有序”之間的構象轉變，賦予細菌響應外界環境信號并在特殊條件下生存的能力。

　　3) 在低pH和低鈣離子濃度條件下，BSP的各結構模塊協同性的調控淀粉樣纖維的形成進而介導金黃色葡萄球菌生物被膜的形成。

　　清華大學生命學院方顯楊助理教授為文章的通訊作者, 2016級博士研究生馬俊鋒是文章的第一作者，研究助理程翔，2017級博士研究生徐鐘河，已畢業博士生張一堪對該課題做出了重要貢獻。西班牙納瓦拉公立大學I?igo Lasa教授，美國阿貢國家實驗室左孝兵博士為該項研究的重要合作者。清華大學高精尖創新中心王佳偉教授和范仕龍博士對晶體數據收集與處理進行了指導和幫助。清華大學生命學院梁鑫副教授和醫學院張敬仁教授在實驗材料方面給予了大力幫助。清華大學蛋白質研究技術中心、膜生物學國家重點實驗室和上海同步輻射光源為本研究提供了設備和技術支持。本研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京結構生物學高精尖創新中心、清華-北大生命科學聯合中心的經費支持。