肺炎链球菌荚膜多糖合成途径的结构酶学

The pathogenicity of human pathogen Streptococcus pneumoniae is mainly caused by the extracellular capsular polysaccharide. Based on the structural diversity of capsular polysaccharide, various strains of S. pneumoniae were grouped into 93 capsular serotypes. Due to the abuse of the antibiotics, most pneumococcal strains showed resistance against the current clinic antibiotics. Thus it is urgent to develop new drugs and/or vaccines against pneumococcal diseases. In this study, we will use the two laboratory strain S. pneumoniae TIGR4 as the model organism. We will first separate the capsular polysaccharide and identify their compositions. Afterwards, we will solve the 3-D structures of the key enzymes of the Wzy-dependent capsule biosynthesis pathway using X-ray crystallography or Cryo-EM. The structure-based enzymatic studies will also be performed to elucidate the fine molecular functions of these enzymes. These findings will provide the structural basis for the capsule biosynthesis and guide the design of novel inhibitors and/or vaccines against pneumococcal infection.

肺炎链球菌是人类主要的致病菌之一，其致病性主要是通过荚膜多糖实现的。根据荚膜多糖的不同，目前肺炎链球菌被分为93种血清型。由于抗生素的滥用，目前大部分血清型的肺炎链球菌对于抗生素产生不同程度的耐药，因此开发新的药物和疫苗预防肺炎链球菌感染迫在眉睫。本研究将分离纯化实验室常用菌株TIGR4的荚膜多糖，并鉴定其多糖组分。同时利用X-射线晶体学和冷冻电镜等技术解析参与荚膜合成主要途径--Wzy途径中相关蛋白的三维结构，并对这些蛋白进行系统的酶学机理研究。本研究将为理解荚膜的合成机制提供理论基础，并为研发新型的基于肺炎链球菌荚膜多糖的抑制剂和疫苗提供新的思路和途径。

肺炎链球菌是人类主要的致病菌之一，其致病性主要是通过荚膜多糖实现的。根据荚膜多糖的不同，目前肺炎链球菌被分为93种血清型。由于抗生素的滥用，目前大部分血清型的肺炎链球菌对于抗生素都有不同程度的耐药性，因此开发新的药物和疫苗预防肺炎链球菌感染迫在眉睫。本研究项目中，我们纯化了肺炎链球菌D39菌株中的多糖共聚合酶CpsC，初步的冷冻电镜结果表明CpsC以环状多聚体的形式存在，同时生理实验表明CpsC的C端胞内区对于酪氨酸激酶CpsD的自磷酸化是必需的，且CpsD的磷酸化会影响荚膜多糖的链长。这些结果为后续结构解析提供了重要的参考，同时也有助于研究磷酸化调控系统在荚膜多糖合成中的作用机制。参与荚膜多糖合成的基因的表达可能受转录因子FabT和CpsR的调控。我们利用X-射线晶体学手段解析了肺炎链球菌FabT与23 bp的DNA回文序列复合物的晶体结构。我们在体外合成了FabT的最适配体，并通过凝胶阻滞实验证明了长链酰基ACP能够增强FabT和DNA之间的亲和力。结合表面电势分析、序列比对和分子动力学模拟，我们发现酸性的ACP与FabT表面的碱性区域结合，而长链脂肪酸则插入到FabT的疏水口袋中，并进一步用生化实验验证了该结合模型。CpsR属于GntR转录因子家族的HutC亚家族，由N端的DNA结合结构域和C端的效应分子结合结构域组成。我们解析了效应分子结合结构域的三维结构，是由5股α-螺旋围绕着中央的反平行β-折叠片组成。我们还通过凝胶阻滞实验发现CpsR结合的DNA序列并不是回文序列，且不具有其家族结合序列的共同特征，暗示CpsR可能以一种全新的方式发挥作用。我们的研究结果将为肺炎链球菌荚膜多糖的转录调控奠定基础，为研发新型抑制剂抵抗肺炎链球菌感染提供靶标和理论依据。