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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部孫寶林教授課題組揭示了金黃色葡萄球菌一氧化氮合成酶NOS及其內(nèi)源產(chǎn)生的NO通過介導(dǎo)靶蛋白的S-亞硝基化修飾以調(diào)控萬古霉素耐藥性發(fā)生的具體分子機制。研究成果以“Transcription tuned by S-nitrosylation underlies a mechanism forStaphylococcus aureusto circumvent vancomycin killing”為題于4月21日在線發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。

金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是人類主要致病細菌，由甲氧西林耐藥性金黃色葡萄球菌（methicillin-resistantS. aureus，MRSA）引發(fā)的感染正嚴重威脅公共健康安全。萬古霉素被認為是臨床上治療嚴重MRSA感染的最后一道防線，但是，其中度耐藥性金黃色葡萄球菌（vancomycin-intermediateS. aureus，VISA）的頻繁出現(xiàn)，為MRSA的感染治療帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，深入解析金黃色葡萄球菌萬古霉素耐藥機制具有重要的臨床意義。一氧化氮（nitric oxide，NO）可作為信號分子，首先在真核生物中被發(fā)現(xiàn)可由一氧化氮合成酶（nitric oxide synthase，NOS）內(nèi)源產(chǎn)生，參與調(diào)節(jié)各種生理及免疫功能。NO被報道能對蛋白質(zhì)半胱氨酸殘基的巰基進行S-亞硝基化修飾，進而影響蛋白質(zhì)的活性和功能。金黃色葡萄球菌中也被證實存在可以催化產(chǎn)生NO的NOS，該酶被報道參與調(diào)控金黃色葡萄球菌的萬古霉素耐藥性，但相關(guān)分子機制尚不明確。

圖1. NOS通過S-亞硝基化修飾介導(dǎo)萬古霉素耐藥性的分子機制。當(dāng)存在內(nèi)源NO時，MgrA和WalR發(fā)生S-亞硝基化修飾（SNO），促進對自溶相關(guān)靶基因的負調(diào)控功能，導(dǎo)致細胞的自溶活性下降，介導(dǎo)細胞壁厚度增加，進而促進金黃色葡萄球菌的萬古霉素耐藥性。

研究人員在臨床VISA菌株XN108中，通過構(gòu)建NOS突變菌株以及外源添加NOS抑制劑，證實了金黃色葡萄球菌NOS在萬古霉素等細胞壁靶向抗生素抗性發(fā)生過程中的重要作用。接下來，利用蛋白質(zhì)修飾組學(xué)的方法鑒定了金黃色葡萄球菌中可被內(nèi)源NO亞硝基化修飾的靶標蛋白及相應(yīng)位點。一個與抗生素抗性具有重要關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)錄因子MgrA上第12位的半胱氨酸發(fā)生了S-亞硝基化修飾，通過將半胱氨酸替換為不能被修飾的絲氨酸構(gòu)建了mgrAC12S點突變菌株，發(fā)現(xiàn)NOS突變菌株類似，mgrAC12S突變菌株對萬古霉素的抗性顯著下降、細胞壁厚度顯著下降以及細胞自溶活性增加。通過實時熒光定量PCR、凝膠阻滯遷移實驗、染色質(zhì)免疫共沉淀實驗等方法，揭示了金黃色葡萄球菌NOS及其內(nèi)源產(chǎn)生的NO在促進萬古霉素抗性中的作用機制（圖1）：NOS來源的NO通過介導(dǎo)MgrA發(fā)生S-亞硝基化修飾，促進MgrA對自溶相關(guān)靶基因的負調(diào)控功能，導(dǎo)致細胞的自溶活性下降，介導(dǎo)細胞壁厚度增加，進而促進金黃色葡萄球菌的萬古霉素耐藥性。這種由NO介導(dǎo)的調(diào)控機制在另一個被鑒定到可發(fā)生S-亞硝基化修飾的轉(zhuǎn)錄因子WalR中得到了進一步的驗證，表明金黃色葡萄球菌NOS內(nèi)源產(chǎn)生的NO通過S-亞硝基化修飾介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制在細菌中可能具有普遍性。本研究有望為臨床治療VISA及其他細菌病原體的感染提供新的思路與策略。

本論文第一作者為孫寶林教授課題組的博士研究生舒雪琴，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫寶林教授和北京兒童醫(yī)院的于丹副研究員。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金等項目的資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37949-0

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）