The Mevalonate Pathway of Staphylococcus aureus
- 作者
- Carl J. Balibar, Xiaoyu Shen, Jianshi Tao
- 单位
- Department of Infectious Diseases, Novartis Institutes for BioMedical Research, 500 Technology Square, Cambridge, Massachusetts 02139
- 杂志
- Journal of Bacteriology（2009）
- DOI
- 10.1128/JB.01357-08
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究金黄色葡萄球菌中甲羟戊酸途径的调控机制及其对细胞代谢、细胞壁合成和毒力的影响。
研究策略
构建IPTG诱导启动子调控的mvaS、mvaA、mvaK1/D/K2基因突变株，结合DNA微阵列、qRT-PCR、Biolog代谢表型分析和自溶实验，系统分析转录组和代谢变化。
核心内容
本研究以金黄色葡萄球菌RN4220为对象，通过IPTG诱导启动子分别调控mvaS、mvaA及mvaK1/D/K2基因表达，构建三种途径缺陷突变株，结合DNA微阵列、qRT-PCR、Biolog表型分析和自溶实验系统解析甲羟戊酸途径的调控机制。结果显示，无IPTG时菌株生长严重受损，100 μM IPTG可完全恢复；200 μM甲羟戊酸能回补mvaS和mvaA缺陷，但无法回补mvaK缺陷，表明该途径的转录调控主要发生在mvaK1/D/K2水平，而非真核生物中的mvaA/mvaS。转录组分析发现224个基因上调、180个基因下调共同响应三种突变，其中保守假设蛋白SAOUHSC_02872上调143至572倍，细胞壁刺激子全部被激活，自溶速率显著降低，乙酰CoA浓度增加约10倍。mvaA缺陷还特异性上调糖酵解中间酶约2倍，提示其在代谢感知中的独特作用。该研究揭示了甲羟戊酸途径抑制引发广泛代谢重编程、细胞壁合成应激和毒力上调，为开发针对该途径的抗菌药物提供了理论依据。
创新点
首次系统揭示革兰氏阳性病原菌中甲羟戊酸途径的转录调控位于mvaK1/D/K2水平，而非真核生物中的mvaA/mvaS；发现途径抑制导致细胞壁应激刺激子全面激活和毒力因子上调，并揭示mvaA在代谢感知中的独特作用。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Staphylococcus aureus RN4220 | 甲羟戊酸途径 | mvaS | HMG-CoA synthase | 催化 | IPTG诱导启动子Pspac调控；缺陷菌株RN4220spacmvaS |
| Staphylococcus aureus RN4220 | 甲羟戊酸途径 | mvaA | HMG-CoA reductase | 催化 | IPTG诱导启动子Pspac调控；缺陷菌株RN4220spacmvaA |
| Staphylococcus aureus RN4220 | 甲羟戊酸途径 | mvaK1 | Mevalonate kinase | 催化 | IPTG诱导启动子Pspac调控；与mvaD、mvaK2组成三顺反子操纵子 |
| Staphylococcus aureus RN4220 | 甲羟戊酸途径 | mvaD | Diphosphomevalonate decarboxylase | 催化 | 与mvaK1、mvaK2共转录，受mvaK1启动子调控 |
| Staphylococcus aureus RN4220 | 甲羟戊酸途径 | mvaK2 | Phosphomevalonate kinase | 催化 | 与mvaK1、mvaD共转录，受mvaK1启动子调控 |
关键发现
- 构建了RN4220spacmvaS、RN4220spacmvaA、RN4220spacmvaK三种突变株
- 无IPTG时生长严重受损，100 μM IPTG可完全恢复，200 μM甲羟戊酸可回补mvaS和mvaA缺陷但无法回补mvaK缺陷
- 转录组分析显示224个基因上调、180个基因下调共同响应三种突变
- mvaK1/D/K2在mvaS或mvaA缺陷时上调1.5-2倍，mvaA在mvaS缺陷时上调1.4倍
- upps和bacA上调约2倍，crt操纵子下调2-3倍
- 细胞壁刺激子全部基因被激活，其中保守假设蛋白SAOUHSC_02872上调143-572倍
- 自溶速率显著降低
- 乙酰CoA浓度增加约10倍
- mvaA缺陷特异性上调糖酵解中间酶（磷酸丙糖异构酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、磷酸甘油酸激酶、磷酸甘油酸变位酶）约2倍。
研究结论
金黄色葡萄球菌中甲羟戊酸途径的转录调控主要发生在mvaK1/D/K2水平，mvaA在感知代谢状态和响应途径抑制中发挥独特作用；途径抑制导致广泛代谢重编程、细胞壁合成应激和毒力上调，提示该途径是潜在的抗菌药物靶点。