近日，分子生物學知名刊物《Nucleic Acids Research》發表了EON体育4平台、微生物代謝國家重點實驗室歐竑宇研究組📳🏋🏼、賀新義研究組及復旦大學生命科學EON4甘建華研究組的合作論文“Toxin-antitoxin operon kacAT of Klebsiella pneumoniae is regulated by conditional cooperativity via a W-shaped KacA-KacT complex”💆🏻‍♀️🧜🏼‍♂️。該研究探討了與細菌耐受抗菌藥物相關的II型毒素-抗毒素系統𓀊，進一步闡明了乙酰基轉移酶類GNAT-RHH毒素-抗毒素系統的轉錄調控機製。錢宏亮和於昊同學為共同第一作者，歐竑宇、賀新義和甘建華教授為共同通訊作者。

細菌II型毒素-抗毒素系統（Toxin-antitoxin system, TA）由一個編碼毒素蛋白和抗毒素蛋白的操縱子組成,與移動元件的遺傳穩定性以及細菌對抗菌藥物的耐受性密切相關。近期🛩，在腸道沙門菌和致病大腸桿菌中報道了一類新的TA毒素蛋白——乙酰基轉移酶GNAT毒素。GNAT通過乙酰化氨酰tRNA的氨基酸以阻遏蛋白質的正常翻譯，而RHH抗毒素則可中和GNAT毒素的毒性。歐竑宇研究組在更新細菌毒素-抗毒素系統數據庫TADB時，發現了乙酰基轉移酶類GNAT-RHH TA廣泛分布於腸桿菌科細菌中 (Xie, et al., Nucleic Acids Res, 2018)；隨後，與甘建華研究組合作鑒定了碳青黴烯耐藥肺炎克雷伯菌中的GNAT-RHH系統KacAT，解析了GNAT毒素蛋白KacT^Y145F的晶體結構，發現GNAT毒素KacT的過表達可顯著地提高肺炎克雷伯菌在高濃度美羅培南壓力下的存活率 (Qian, et al., Molecular Microbiology, 2018, cover story)🪖。KacAT復合物與kacAT啟動子DNA特異性結合，實現轉錄的反饋抑製；但精確的分子機製尚待闡明🧑🏻‍💻。

該研究發現了GNAT-RHH TA系統的轉錄調控存在條件協同機製。采用晶體學技術👩‍❤️‍👨，解析了KacAT-DNA復合物的結構，發現了KacAT形成新穎的KacT-KacA₂-KacA₂-KacT異源六聚體🙊，空間排布形式類似於字母W。抗毒素蛋白KacA的C-端結構域存在兩種不同的折疊構象👩🏻‍🦰，分別與毒素蛋白KacT表面的不同區域互作，抑製KacT形成功能二聚體。抗毒素蛋白KacA的N-端形成兩個RHH結構域🙏🏽，與啟動子DNA相鄰的兩個大溝面相互作用👩🏽‍🏫，抑製kacAT操縱子的轉錄。隨後開展的KacA和KacT野生型和突變體的ITC、EMSA和SEC-MALS等體外實驗，以及KacA-KacT胞內表達等實驗，表明了kacAT轉錄抑製的阻遏強度由[KacT]:[KacA]濃度比來調控3️⃣🕴🏼。毒素KacT與抗毒素KacA形成蛋白復合物後，增強了KacA與DNA的結合🧑🏽‍🦱；當[KacT]:[KacA]濃度接近1:2時🚵🏻‍♀️，形成穩定的KacAT六聚體，對KacAT操縱子形成強阻遏；當細菌受到抗菌藥物等壓力刺激時，抗毒素蛋白KacA被蛋白酶降解，KacAT復合物受到遊離KacT的破壞，轉錄抑製被解除。乙酰基轉移酶類GNAT-RHH TA系統轉錄機製的解析，將有助於闡明細菌耐受抗菌藥物的生理與代謝變化機製，將可能為臨床精準抗感染策略製定和新抗菌藥物的靶點研發提供依據。

論文發表後引起同行廣泛關註，入選F1000Prime推薦論文。該研究工作獲得了973等項目的資助🧎🏻。

原文鏈接: https://academic.oup.com/nar/article/47/14/7690/5526705

圖1. 肺炎克雷伯菌中碳青黴烯藥物耐受相關的乙酰基轉移酶類毒素-抗毒素系統KacAT的轉錄調控機製🧑🏼‍🏭。(A) KacAT-DNA復合物結構；(B) KacAT復合物與啟動子DNA特異性結合🖐🏻，結合強度由[KacT]:[KacA]濃度比來調控🌒；(C) KacAT的條件協同轉錄調控機製🙅🏽‍♀️。