乳酸修饰调控金黄色葡萄球菌α-毒素毒力的分子机制
作者及研究背景
本研究的通讯作者为Min Li（上海交通大学医学院附属仁济医院检验科）和Michael Otto（美国国立过敏与传染病研究所），主要作者包括Yanan Wang、Yanfeng Liu等，合作单位涵盖上海交通大学医学院、美国国立卫生研究院（NIH）等机构。研究成果发表于Nature Communications（2024年，DOI: 10.1038/s41467-024-53979-8）。
研究领域与背景
研究聚焦于金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，金葡菌）的致病机制，特别是其分泌的α-毒素（alpha-toxin, Hla）的翻译后修饰（post-translational modification, PTM）对毒力的调控。α-毒素是金葡菌感染中的关键毒力因子，能够裂解红细胞、白细胞等多种宿主细胞，但其活性如何响应感染微环境（如乳酸积累）尚不明确。
乳酸（lactate）在感染部位浓度升高（如炎症、缺氧条件下），此前已知乳酸可通过组蛋白乳酸化（histone lactylation）调控真核细胞基因表达，但在细菌中，乳酸化是否影响毒素功能未见报道。本研究首次揭示了乳酸通过修饰α-毒素的特定赖氨酸（K84位点）增强其溶血活性和致病性，并鉴定了负责该修饰的乳酸化酶（lactylase）。
研究流程与方法
1. 乳酸浓度与α-毒素活性的关联
- 实验设计：检测感染条件下乳酸水平（通过乳酸测定试剂盒）及α-毒素活性（溶血实验）。
- 关键发现：
- 金葡菌感染肺泡上皮细胞（A549）后，宿主细胞乳酸分泌显著增加（图1a）。
- 体外添加乳酸（0.8–22.5 mM，模拟感染浓度）可显著增强α-毒素的溶血活性，但未改变其转录水平（hla mRNA）或蛋白分泌量（图1b–d）。
- 排除pH变化的干扰（补充图1c）。
2. 蛋白质乳酸化的鉴定
- 方法：通过泛乳酸化抗体（pan-αKla）检测金葡菌蛋白修饰，结合质谱（LC-MS/MS）分析乳酸化蛋白质组（lactylome）。
- 结果：
- 乳酸化修饰具有选择性，α-毒素是分泌蛋白中修饰程度最高的靶点（图1e–g）。
- 质谱鉴定出α-毒素的多个乳酸化位点（K63、K84、K189、K266等），其中K84位点的修饰对溶血活性最关键（图2）。
3. K84位点的功能验证
- 突变体构建：通过位点定向突变（K→R突变）和回补实验。
- 关键数据：
- K84R突变体（α-毒素K84位点赖氨酸替换为精氨酸）的溶血活性显著降低（图2a–c）。
- 乳酸依赖的细胞毒性在K84R突变体中消失（图2d–e）。
4. 乳酸化酶的发现与功能验证
- 筛选与验证：
- 通过基因敲除和过表达筛选，鉴定出两个关键乳酸化酶：Sapig1173和Sapig2573（图3a–b）。
- 体外酶活实验证实二者可将乳酸基团转移至α-毒素K84位点肽段（图3c–l）。
- 双敲除株（Δ1173+2573）的α-毒素乳酸化和毒力均显著减弱（图3f–i）。
5. 乳酸化影响α-毒素的膜结合机制
- 分子机制：
- 结构分析显示K84位于α-毒素七聚体孔道的“帽区”（cap domain），不直接参与膜嵌入（图4a）。
- 突变体K84R不影响α-毒素与受体（ADAM10、caveolin-1）的结合，但减弱非受体依赖的膜寡聚化（图4b–c）。
6. 动物模型验证
- 感染模型：
- 皮肤脓肿模型：Δ1173+2573菌株形成的脓肿显著小于野生型（图5a）。
- 肺部感染模型：Δ1173+2573菌株的致死率、细菌负荷、炎症因子（IL-6、TNF-α）水平均显著降低（图5b–i）。
- K84R突变体的毒力表型与乳酸化酶敲除株一致（图6a–e），且α-毒素缺失（Δhla）可完全消除乳酸化酶的致病差异（图6f–p）。
结论与意义
- 科学价值：
- 首次揭示细菌毒素的乳酸化修饰可直接响应宿主微环境（乳酸浓度），动态调控毒力。
- 提出了“代谢信号-翻译后修饰-毒力适应”的新型致病机制模型。
- 应用潜力：
- 乳酸化酶（Sapig1173/Sapig2573）或α-毒素K84位点可作为抗毒力疗法（anti-virulence therapy）的新靶点。
- 理论突破：
- 拓展了PTM在细菌致病中的作用，挑战了“PTM主要在真核生物中重要”的传统观点。
研究亮点
- 创新性发现：乳酸化修饰直接调控细菌毒素活性，建立感染微环境与毒力的直接联系。
- 方法学贡献：开发了针对细菌蛋白质乳酸化的抗体检测和质谱分析方法。
- 跨学科意义：融合了微生物学、代谢组学和结构生物学技术，为宿主-病原体互作研究提供了新范式。
其他重要内容
- 质谱数据已公开（PRIDE数据库编号：PXD046022/3）。
- 研究中使用的ST398菌株是临床高致病性谱系，增强了结果的转化医学意义。