细菌表面多糖抗原合成的分子机理及调控机制的研究

表面多糖存在于所有细菌的表面（在革兰氏阴性菌中主要以O抗原形式存在），其合成是细菌的重要生理过程之一。O抗原是重要致病因子和免疫原性物质，对细菌的致病性和宿主适应性有重要作用。O抗原在宿主长期免疫压力下形成了生物界最丰富的多样性，O抗原基因簇中糖合成基因的功能差异是造成该多样性的主要原因，目前对其中的糖基转移酶基因的作用机制认识较少。在细菌与宿主相互响应过程中，细菌对Ｏ抗原合成的调控机制方面尚缺乏整体性研究。此外，不同O抗原与细菌致病性之间的关系还不清晰。本项目围绕细菌Ｏ抗原合成这一重要生理过程，利用生物化学、生物信息学、结构生物学、转录组学、蛋白组学等研究手段，解析Ｏ抗原合成中起关键作用的糖基转移酶的作用机制，阐明O抗原合成的分子机理；揭示O抗原应对宿主免疫压力的调控机制及其与致病性的关系，解析一些Ｏ抗原具有较强毒性的原因；全面认识O抗原在细菌致病性和宿主适应性中的作用。

表面多糖抗原（O抗原等）是细菌的重要组成部分，其合成是细菌的重要生理过程之一。糖是生物界三大物质之一，但与核酸和蛋白质不同，多糖的合成不需要“模板”，而是由糖基转移酶依次将单糖连接形成。糖基转移酶决定了多糖的合成和多样性，其主要特点是对受体和供体均具有高特异性，且负责相同糖键合成的不同酶之间同源性极小；这些特点给研究糖基转移酶的功能和特异性带来很大困难，也使人们对多糖合成机制的认识非常有限。本项目对参与O抗原合成的糖基转移酶的功能、特异性决定区域和位点、以及协同方式进行了系统研究。完成了致病性大肠杆菌O157中糖基转移酶WbdN等16个代表性糖基转移酶的鉴定。发现了一系列决定糖基转移酶特异性的关键区域和位点，包括：在糖基转移酶WclY中发现了决定其供体特异性的两个关键突变，这是首次在肠道菌参与多糖合成的糖基转移酶中鉴定可直接决定其特异性的关键位点；在糖基转移酶WfeD中发现了可能分别影响其供体和受体特异性的DxExE和RKR 基序；在糖基转移酶WbwC中发现了可能影响其供体特异性的DxDD基序等。鉴定了大肠杆菌O73和O152中参与O抗原合成的全部糖基转移酶，解析了糖基转移酶介导多糖合成过程中的顺序性协同作用机制，发现糖基转移酶可识别受体相邻的糖分子。完成了对重要致病菌沙门氏菌O抗原的系统分析，发现参与O抗原合成的127个糖基转移酶基因，预测了其中64个基因的功能，根据相关工作撰写的综述（FEMS Microbiol Rev, 2014）被编辑评价为“里程碑式(landmark)”的论文。此外，分析了细菌与宿主相互响应过程中O抗原合成的短期调控机制，发现大肠杆菌O157通过两个不同机制分别调控O抗原合成和LEE基因从而提高粘附大肠上皮细胞的能力：一方面抑制调控基因fepE的表达，从而缩短O抗原链长；另一方面感受低生物素浓度等信号以提高LEE等毒性基因的表达。首次鉴定了3种罕见单糖的合成路径；首次鉴定了普罗威登斯菌O抗原基因簇的基因组位点；为更大范围地研究糖基转移酶作用机理奠定了基础。项目累计发表SCI论文18篇, 包括在Nat Commun发表（已接收）1篇，在FEMS Microbiol Rev发表1篇，在Nucl Acids Res发表1篇，在Glycobiology发表4篇，在J Bacteriol发表3篇，在PLoS One发表3篇等。