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结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis,Mtb)是引发结核病的一种革兰氏阳性病原菌。结核病是目前世界上传播最广的细菌性疾病,全世界约有30%的人口感染结核病。世界卫生组织2012年全球结核防控报告报道,2011年全球新增结核感染病例约八百七十万,其中13%与人类免疫缺陷病毒(HIV)共感染,约有一百四十万人死于结核病。目前结核病治疗的最大挑战是结核分枝杆菌的抗药性以及与HIV/HCV的共感染,因此寻找新型药物靶点及了解这些新型靶点的机制对结核病的治疗至关重要。
结核分枝杆菌的毒力和致病性与其分泌蛋白密切相关,这些分泌蛋白包括细胞壁相关蛋白和胞外蛋白。其中60%的分泌蛋白含有二硫键,而二硫键的形成对于蛋白的正确折叠和发挥功能至关重要。二硫键氧化还原酶(disulfide bondforming protein,Dsb)位于细菌周质腔,能够帮助分泌蛋白二硫键的形成和正确折叠。其中,DsbA能够向折叠中的底物蛋白质中引入二硫键,随后通过与其氧化还原对DsbB蛋白的相互作用被重新氧化。结核分枝杆菌的DsbA类似的蛋白(Rv2969c)是一个N端锚膜的胞外蛋白,并且是结核分枝杆菌生存必需的蛋白。Rv2969c对于二硫键形成的重要作用使其成为潜在的新型抗结核药物靶点。
本论文利用硒的单波长反常散射(SAD)和分子置换的方法分别解析了Rv2969c胞外区(Mtb DsbA)还原态和氧化态的晶体结构。Mtb DsbA整体结构包含两个结构域:经典的含有CXXC活性中心的硫氧还蛋白折叠结构域和α螺旋结构域。Mtb DsbA结构与大肠杆菌EcDsbA蛋白具有较高的结构同源性,但Mtb DsbA的肽链结合凹槽更短,同时其活性中心也被酸性区域围绕而不是疏水表面。通过体外氧化还原酶活实验,我们发现Mtb DsbA与EcDsbA不同的底物特异性也与两者结构的差异相符合。同时,结构分析发现在Mtb DsbA中存在第二个二硫键,这在已知的DsbA结构中是很少见的,我们推测这对二硫键对整个结构起到稳定作用。
结核分枝杆菌维生素K环氧化物还原酶(vitamin K epoxide reductase,VKOR)是一个五次跨膜的膜蛋白,与DsbB功能相同,能够将Mtb DsbA再氧化。为了研究结核分枝杆菌中二硫键的形成通路,我们利用计算结构生物学的方法搭建了Mtb DsbA和Mtb VKOR相互作用的模型。以已知的转基因聚球藻(Synechococcussp.)VKOR为模型(与Mtb VKOR有30%的局部序列一致性),用FR-t5基于模版建模的方法计算出Mtb VKOR的三维结构,用AutoDock Vina软件计算出MtbDsbA和Mtb VKOR相互作用模型。根据这个模型以及前人对Mtb VKOR的功能研究,我们提出了结核分枝杆菌中二硫键的形成通路。