张鹏研究组揭示细菌磷酸化利福平产生耐药性的分子机制

      2016年3月21日，美国科学院院刊（PNAS）在线发表了我所张鹏研究组题为“Structural basis of rifampin inactivation by rifampin phosphotransferase”的研究论文。该研究通过解析利福平磷酸转移酶（Rifampin Phosphotransferase, RPH）不同构象的晶体结构，以及生理、生化分析，揭示了RPH磷酸化利福平及利福霉素类抗生素导致其失活的分子机制。

      利福平（Rifampin, RIF）属于利福霉素类抗生素，是目前治疗结核病的一线药物，并被广泛应用于其他细菌感染的治疗。长期、大量的使用导致致病菌对RIF产生多种耐药性，严重影响了结核等传染病的防御和治疗，而耐药机理的研究对解决细菌耐药性至关重要。RPH是一类导致细菌对利福霉素类抗生素产生耐受的抗性蛋白，其通过消耗ATP磷酸化利福平及利福霉素(C21位羟基)，使其丧失抑菌活性。然而人们对RPH的催化机理却不清楚。

      在本项工作中，张鹏研究组的博士研究生齐晓峰等解析了致病菌Listeria monocytogenes来源的利福平磷酸转移酶（LmRPH）催化过程不同底物结合状态的晶体结构。通过结构比较、酶活测定、抑菌实验、质谱分析等实验手段，研究人员发现LmRPH由三个独立的结构域组成：ATP结合结构域（ATP-binding domain, AD）、RIF结合结构域（RIF-binding domain, RD）和一个含有关键催化位点组氨酸的结构域（His-containing domain, HD）。AD上的ATP结合位点和RD上的RIF结合位点相距较远（49？），HD可以在AD和RD之间摆动从而实现磷酸基团从ATP到RIF的传递。HD在此过程中稳定了AD对ATP的结合，并与RD共同形成RIF结合口袋。RIF的主要分子构架（安莎桥和萘酚环）通过疏水作用结合在LmRPH分子表面的结合口袋内，而其R基团游离在口袋外，这一发现解释了为什么RPH对利福霉素家族其他成员同样具有活性。RIF磷酸化位点附近的四个氨基酸His825, Arg666, Lys670和Gln337在催化过程发挥重要作用，其中来自HD的His825在ATP的存在下可被磷酸化，很可能在催化过程中负责磷酸基团的转移。基于上述结果，研究人员提出了RPH催化利福霉素磷酸化的分子机理，而这一磷酸化很可能导致利福霉素对其靶点蛋白（细菌RNA聚合酶）的结合力降低从而丧失抑菌活性。该研究为新一代利福霉素类抗生素的研发指出了方向。

      该研究得到了基金委、科技部和科学院的经费资助。晶体衍射数据收集工作得到了国家蛋白质中心（上海）设施19U线站和上海光源17U线站的支持与帮助。

      原文链接: http://www.pnas.org/content/early/2016/03/18/1523614113.full