NIBS邵峰Cell子刊解析感染免疫重要发现

　　

北京生命科学研究所邵峰实验室研究发现一个来自革兰氏阴性致病菌的七碳糖转移酶家族，它们催化细菌自主转运蛋白(Autotransporter)的多糖基化，介导病菌对宿主细胞的粘附，在肠道感染中发挥重要功能。

能够粘附宿主细胞或组织是绝大多数致病细菌实现有效侵染的先决条件。致病细菌通常会利用一类称为粘附素的蛋白特异地识别宿主细胞表面的受体从而高效粘附于细胞表面。扩散附着性大肠杆菌(Diffuse-adhering E. coli, DAEC)和产肠毒素性大肠杆菌(Enterotoxigenic E. coli, ETEC)是一类引起人和幼畜腹泻的重要病原菌，他们分别编码AIDA-I和TibA两种粘附素。之前的研究表明这两种粘附素与细菌致病性直接相关，且有报道称AIDA-I和TibA均是糖蛋白，但其糖基化机理和具体功能未知。

在这项最新的研究中，邵峰团队鉴定出一个新型的七碳糖转移酶 (BAHT) 家族，催化AIDA-I和TibA的糖基化修饰，从而实现细菌对宿主细胞的粘附和在小鼠肠道中的有效定植，报道该研究发现的论文”An Iron-Containing Dodecameric Heptosyltransferase Family Modifies Bacterial Autotransporters in Pathogenesis”于2014年9月10日在《Cell Host & Microbe》杂志上以feature article发表。

在该研究中，邵峰实验室的研究人员首次通过遗传学方法，证明AIDA-I及其上游的AAH基因的缺失会导致DAEC菌无法粘附于HeLa细胞。含有AAH和AIDA-I的重组细菌具有粘附性，且AIDA-I被糖基化修饰，但在DAEC中缺失AAH却不能使AIDA-I糖基化丧失。通过构建和筛选DAEC基因组文库，他们成功鉴定出了DAEC中的另一个参与AIDA-I糖基化的蛋白，命名为AAH2。AAH和AAH2同时缺失后，AIDA-I完全不能被糖基化。AIDA-I这类粘附素隶属于细菌自主转运蛋白（Autotransporter）家族，通常由信号肽，passenger结构域以及跨膜区三部分组成。

研究人员在E. coli中共表达了AAH/AAH2和AIDA-I passenger结构域片段，通过质谱分析证明AAH/AAH2能够使AIDA-I的多个丝氨酸残基上发生七碳糖（heptose）糖基化修饰。体外生化实验首次显示AAH/AAH2具有七碳糖转移酶活性。Heptose是细菌内毒素中特有的一类糖分子，遗传敲除实验也证明了heptose合成缺陷菌株中AIDA-I无法发生糖基化修饰。研究人员还解析了糖基化的TibA passenger结构域的三维晶体结构。该结构清晰展示了passenger结构域上的多个丝氨酸残基共价连接了heptose。这些研究确定了AAH/TibC是一类全新的七碳糖转移酶。

该研究还发现，重组表达的AAH 或者TibC蛋白呈现出黄褐色，电感耦合等离子体质谱等生化分析结果表明AAH/TibC是一类铁结合蛋白，组装形成同源十二聚体。AAH/TibC同源蛋白广泛分布于革兰氏阴性致病细菌中，包括沙门氏菌，志贺氏痢疾杆菌，伯克霍尔德氏菌，香港海鸥菌，鼠类柠檬酸杆菌和多种致病性大肠杆菌等。所有家族成员蛋白均呈现出黄褐色并以寡聚体形式存在，表明该家族是一类含铁的十二聚体七碳糖转移酶，他们将该家族定义为BAHT(bacterial  autotransporter  heptosyl-transferase)。

进一步研究表明，鼠类柠檬酸杆菌编码的粘附素被其对应的BAHT高度糖基化。在小鼠感染模型中，粘附素或BAHT编码基因或者糖基转移酶酶活的缺失都会导致柠檬酸杆菌不能在肠道中有效定植，从而进一步确定了BAHT糖基转移酶活性在感染过程中的重要生物学功能。

该研究首次定义了一类新型的细菌七碳糖转移酶家族，并揭示了革兰氏阴性致病菌在宿主体内有效定植的全新分子机制。该研究也为抗生素治疗细菌感染的替代途径——抗粘附治疗提供了新的理论指导。

NIBS博士后陆秋鹤、姚庆以及NIBS与中国农业大学联合培养博士生许悦为共同第一作者，邵峰实验室李姗博士和在读博士生高文青也对本工作有重要贡献。其它作者包括NIBS博士生牛苗，辅助中心李琳和陈涉博士，以色列魏茨曼科学研究所的Michal Sharon 教授和Gili Ben-Nissan，奥地利维也纳自然资源与生命科学大学的AllaZamyatina教授，以及北京大学化学与分子工程学院博士生刘艳华和刘小云教授。邵峰博士为通讯作者，该研究由科技部973项目，北京市政府，国家自然科学基金委员会，中科院先导计划以及美国HHMI资助，在北京生命科学研究所完成。

原文摘要：

An Iron-Containing Dodecameric Heptosyltransferase Family Modifies Bacterial Autotransporters in Pathogenesis

Autotransporters deliver virulence factors to the bacterial surface by translocating an effector passenger domain through a membrane-anchored barrel structure. Although passenger domains are diverse, those found in enteric bacteria autotransporters, including AIDA-I in diffusely adhering Escherichia coli (DAEC) and TibA in enterotoxigenic E. coli, are commonly glycosylated. We show that AIDA-I is heptosylated within the bacterial cytoplasm by autotransporter adhesin heptosyltransferase (AAH) and its paralogue AAH2. AIDA-I heptosylation determines DAEC adhesion to host cells. AAH/AAH2 define a bacterial autotransporter heptosyltransferase (BAHT) family that contains ferric ion and adopts a dodecamer assembly. Structural analyses of the heptosylated TibA passenger domain reveal 35 heptose conjugates forming patterned and solenoid-like arrays on the surface of a β helix. Additionally, CARC, the AIDA-like autotransporter from Citrobacter rodentium, is essential for colonization in mice and requires heptosylation by its cognate BAHT. Our study establishes a bacterial glycosylation system that regulates virulence and is essential for pathogenesis.