Nature | 细菌如何识别并抵御青霉素类抗生素——β-内酰胺受体BlaR1结构的解析

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是全球三大最致命的耐药细菌感染之一，其中甲氧西林耐药（青霉素类抗生素）的金黄色葡萄球菌（MRSA）由于普遍存在于医院和社区获得性感染，造成不断增长的发病率和致死率而备受关注【1】。用来治疗MRSA感染的病人的药物如万古霉素有更多的毒性，同时也会引发万古霉素耐药菌株的生长【2】。更清楚地了解这种病原体的耐药性可以促进开发新的鸡尾酒疗法以保持β-内酰胺的抗菌作用。

在金黄色葡萄球中通过bla或mec通路来诱导β-内酰胺耐药，β-内酰胺可以通过结合在BlaR1或MecR1的感受结构域（sensor domain），促使其膜内锌金属蛋白酶结构域切割转录抑制元件BlaI或MecI，从而诱导blaZ和pbp2a基因（分别编码β-内酰胺水解酶PC1和青霉素结合蛋白PBP2a）的表达【3】。尽管已有文献解析出BlaR1和MecR1感受结构域单独的结构，但是目前仍无跨膜结构域和胞内侧金属蛋白酶结构域的结构被解析出来。

图1 bla和mec通路诱导金黄色葡萄球菌内β-内酰胺耐药【3】

2023年1月4日，来自不列颠哥伦比亚大学的Natalie C. J. Strynadka课题组在Nature上发表了题为Structural basis of broad-spectrum β-lactam resistance in Staphylococcus aureus的文章。通过解析β-内酰胺受体BlaR1野生型和F284A突变体结合或不结合氨苄青霉素的冷冻电镜结构，发现其呈现为交叉二聚体，通过结构间的构象变化提出了BlaR1识别β-内酰胺并切割BlaI的分子机制。

作者在纯化BlaR1蛋白野生型的时候发现其在SDS-PAGE中除了完整的蛋白（FL），还有两条额外的条带（C- CL和N-CL）（图2a），通过测序发现BlaR1会在Ser283和Phe284间自切从而呈现额外的两条带。而BlaR1的F284A突变体则只有一条完整的蛋白条带（FL）（图2b）。所以作者通过冷冻电镜解析了BlaR1野生型及F284A突变体的结构（后者apo状态或结合氨苄青霉素状态）,发现其呈现为二聚体状态（图2d）。N端的锌金属蛋白酶结构域在胞内侧，而C端的结合β-内酰胺的感受结构域位于胞外侧（图2c）。每个单体通过胞质侧的α9螺旋交叉到另一个单体，并通过α10跨膜螺旋伸出细胞膜外，C端剩余的β-内酰胺的感受结构域与另一个单体N端的EL1相作用（图2c和图2d）。

图2 金黄色葡萄球菌BlaR1的冷冻电镜结构

作者发现BlaR1中Ser283和Phe284间易断裂的键位于α8和α9间的曲环中，这个曲环插入到同一条链的锌金属蛋白酶活性位点中（图3a），在F284A突变体的结构中，自切曲环是完整的，而在野生型的结构中，发现了自切曲环未切除和已切除两种状态（图3b和图3c），这与SDS-PAGE中的结果相吻合（图2a）。值得注意的是，在结构中完整的和已自切的自切曲环占据了金属蛋白酶活性位点，这会阻碍转录抑制元件BlaI的结合和切除。因此，自切曲环无论是完整状态还是已切除的状态，都需要离开活性位点，才可以切除BlaI。所以，作者假设二聚化使得自切曲环包裹在二聚体腔内，提高金属蛋白酶活性位点的稳定性，减少对其他随机蛋白的水解。

图3 锌金属蛋白酶活性位点及自切曲环的结合

作者通过比较三个结构间的构象变化来分析结合β-内酰胺后BlaR1的变化，作者发现F284A突变体（图4b）相比于野生型（图4a）BlaR1的感受结构域更靠近细胞膜，而在结合氨苄青霉素后（图4c），感受结构域相比于野生型朝细胞膜移动了6Å。类似的移动也发生在胞内侧的锌金属蛋白酶结构域中，F284A突变体及结合氨苄青霉素相比于野生型更靠近细胞膜。

图4 β-内酰胺结合后的构象变化

综上，作者提出了BlaR1识别并介导BlaI切除的分子机制，当没有β-内酰胺时，自切曲环插入到金属蛋白酶的活性位点中，BlaI无法被切除（图5a）；当β-内酰胺结合到BlaR1胞外侧的感受结构域时，感受结构域靠近细胞膜，造成构象变化（图5c），自切曲环此时无论是完整的还是已切除的状态，都会离开金属蛋白酶活性位点，并将此暴露给BlaI。BlaI被切割之后，对基因表达的抑制减弱，抵抗β-内酰胺的蛋白的表达增多，从而耐药（图5b）。

图5 MRSA中BlaR1构象的动态平衡介导的β-内酰胺抵抗

参考文献

【1】Turner, N. A. et al. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus: an overview of basic and clinical research. Nat. Rev. Microbiol. 17, 203–218 (2019).

【2】 Rodvold, K. A. & Mcconeghy, K. W. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus therapy: past, present, and future. Clin. Infect. Dis. 58, S20–S27 (2014).

【3】Alexander, J. A. N. et al. Structural analysis of avibactam-mediated activation of the bla and mec divergons in methicillin-resistant Staphylococcus aureus. J. Biol. Chem. 295, 10870–10884 (2020).

供稿 | 朱盎岐

审稿 | 李浩田

责编 | 囡囡

排版 | 可洲