近日，分子生物学知名刊物《Nucleic Acids Research》发表了上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室欧竑宇研究组、贺新义研究组及复旦大学生命科学学院甘建华研究组的合作论文“Toxin-antitoxin operon kacAT of Klebsiella pneumoniae is regulated by conditional cooperativity via a W-shaped KacA-KacT complex”。该研究探讨了与细菌耐受抗菌药物相关的II型毒素-抗毒素系统，进一步阐明了乙酰基转移酶类GNAT-RHH毒素-抗毒素系统的转录调控机制。钱宏亮和于昊同学为共同第一作者，欧竑宇、贺新义和甘建华教授为共同通讯作者。

细菌II型毒素-抗毒素系统（Toxin-antitoxin system, TA）由一个编码毒素蛋白和抗毒素蛋白的操纵子组成,与移动元件的遗传稳定性以及细菌对抗菌药物的耐受性密切相关。近期，在肠道沙门菌和致病大肠杆菌中报道了一类新的TA毒素蛋白——乙酰基转移酶GNAT毒素。GNAT通过乙酰化氨酰tRNA的氨基酸以阻遏蛋白质的正常翻译，而RHH抗毒素则可中和GNAT毒素的毒性。欧竑宇研究组在更新细菌毒素-抗毒素系统数据库TADB时，发现了乙酰基转移酶类GNAT-RHH TA广泛分布于肠杆菌科细菌中 (Xie, et al., Nucleic Acids Res, 2018)；随后，与甘建华研究组合作鉴定了碳青霉烯耐药肺炎克雷伯菌中的GNAT-RHH系统KacAT，解析了GNAT毒素蛋白KacT^Y145F的晶体结构，发现GNAT毒素KacT的过表达可显著地提高肺炎克雷伯菌在高浓度美罗培南压力下的存活率 (Qian, et al., Molecular Microbiology, 2018, cover story)。KacAT复合物与kacAT启动子DNA特异性结合，实现转录的反馈抑制；但精确的分子机制尚待阐明。

该研究发现了GNAT-RHH TA系统的转录调控存在条件协同机制。采用晶体学技术，解析了KacAT-DNA复合物的结构，发现了KacAT形成新颖的KacT-KacA₂-KacA₂-KacT异源六聚体，空间排布形式类似于字母W。抗毒素蛋白KacA的C-端结构域存在两种不同的折叠构象，分别与毒素蛋白KacT表面的不同区域互作，抑制KacT形成功能二聚体。抗毒素蛋白KacA的N-端形成两个RHH结构域，与启动子DNA相邻的两个大沟面相互作用，抑制kacAT操纵子的转录。随后开展的KacA和KacT野生型和突变体的ITC、EMSA和SEC-MALS等体外实验，以及KacA-KacT胞内表达等实验，表明了kacAT转录抑制的阻遏强度由[KacT]:[KacA]浓度比来调控。毒素KacT与抗毒素KacA形成蛋白复合物后，增强了KacA与DNA的结合；当[KacT]:[KacA]浓度接近1:2时，形成稳定的KacAT六聚体，对KacAT操纵子形成强阻遏；当细菌受到抗菌药物等压力刺激时，抗毒素蛋白KacA被蛋白酶降解，KacAT复合物受到游离KacT的破坏，转录抑制被解除。乙酰基转移酶类GNAT-RHH TA系统转录机制的解析，将有助于阐明细菌耐受抗菌药物的生理与代谢变化机制，将可能为临床精准抗感染策略制定和新抗菌药物的靶点研发提供依据。

论文发表后引起同行广泛关注，入选F1000Prime推荐论文。该研究工作获得了973等项目的资助。

原文链接: https://academic.oup.com/nar/article/47/14/7690/5526705

图1. 肺炎克雷伯菌中碳青霉烯药物耐受相关的乙酰基转移酶类毒素-抗毒素系统KacAT的转录调控机制。(A) KacAT-DNA复合物结构；(B) KacAT复合物与启动子DNA特异性结合，结合强度由[KacT]:[KacA]浓度比来调控；(C) KacAT的条件协同转录调控机制。