幽门螺旋杆菌铁调节蛋白Fur与金属铋类药物相互作用的化学基础与生物学效应研究

Helicobacter pylori (H. pylori) is one of the most widely-spread pathogenic bacteria in the world. More than 50% of world population are infected by the pathogen. The infection of H. pylori causes series of human stomach diseases, such as ulcer, gastritis and even stomach cancer. Bismuth drug is widely used for the treatment of H. pylori infection. Recently it is reported that bismuth drug could interfere with the bacterial iron metabolism pathway, through which the drug might treat H. pylori infection. However, the molecular mechanism remains unveiled. Herein, we characterized the interaction between the bismuth drug and the ferric uptake regulator (Fur) from H. pylori using different biophysics and biochemical techniques in vitro. Also we investigated the transcriptional and translational change of related H. pylori genes upon bismuth drug treatment in vivo. We tried to understand the effect of bismuth binding on the physiological function of Fur protein, which may shed light on the molecular mechanism of anti-bacterial bismuth drugs.

幽门螺旋杆菌是分布最为广泛的人类致病菌，全世界有近50%人口感染，而幽门螺旋杆菌也是引发人类胃癌的主要因素。目前金属铋类药物已被广泛应用于临床治疗幽门螺旋杆菌感染，近期研究显示铋类药物可能通过影响细菌铁代谢过程而发挥抑菌作用，然而其具体的分子作用机制尚缺乏系统性研究。本课题首次以幽门螺旋杆菌铁调控蛋白Fur为切入口，首先从分子水平上研究Fur蛋白与铋类药物的作用机理，基于光谱学，分子生物学，生物化学等多种方法，研究铋类药物与Fur蛋白不同金属位点的结合方式、与铋类药物结合后Fur蛋白结构发生的变化，然后从细胞水平研究铋剂药物导致幽门螺旋杆菌内源基因转录翻译的变化，最终系统总结出铋类药物影响Fur蛋白正常功能的机制，为后期研究铋类药物影响幽门螺旋杆菌铁代谢过程的分子机制奠定基础，也为进一步提高铋剂类胃药药效以及新型胃药的研发提供理论指导。

本项研究采用光谱学，分子生物学，生物化学以及结构生物学等多种方法研究了幽门螺旋杆菌铁调控蛋白与金属铋类药物的相互作用，首次发现了：（1）金属铋类药物能够结合到幽门螺旋杆菌Fur蛋白上高度保守的锌指结构，并且取代原来结合的锌离子；（2）铋离子与Fur蛋白结合后导致Fur蛋白的二级结构、聚合状态发生变化；（3）铋离子结合导致Fur失去与DNA结合能力；（4）在体实验也进一步验证了Fur蛋白能够在细菌体内结合金属铋离子进而影响受Fur蛋白调控的下游基因的转录和表达。上述结果证实了我们提出的Fur蛋白是金属铋类药物的靶点蛋白的假说，进一步揭示了金属铋类药物抗菌作用的分子机制。