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基于三维结构和分子机制构建跨肺炎克雷伯菌K1和K2荚膜型解聚酶的研究

批准号:
32072824
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
顾敬敏
依托单位:
学科分类:
兽医细菌及其他微生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
顾敬敏

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
产K1和K2型荚膜的肺炎克雷伯菌(Kpn)占强毒力菌株的70%以上,加之耐药性非常严重,目前缺乏有效的防控药物。噬菌体解聚酶可特异性降解细菌荚膜,能帮助机体有效清除细菌,不影响正常菌群,是精准型抗菌物质。目前已发现的解聚酶三维结构和作用机制均不清楚,且降解谱过窄,限制了应用。本课题组前期已获得首个特异降解K2型Kpn荚膜的解聚酶Depo32,其体内治疗效果良好,已成功解析其三维结构;合作者台湾大学Wang Jin-Town教授也报道了目前唯一能特异降解K1型Kpn荚膜的解聚酶S2-4和K1-ORF34。在此基础上,本研究重点通过冷冻电镜技术等率先解析上述解聚酶及其与底物、中间体和产物分子复合物的三维结构、揭示相互作用的分子机制,据此对解聚酶进行改造,以获得对K1和K2型Kpn荚膜均具有降解活性的解聚酶改造体。本项目将为产荚膜多重耐药细菌多价解聚酶新型抗菌药物的研发奠定坚实的理论与实验基础。
英文摘要
Hypervirulent Klebsiella pneumoniae (hvKp) is globally disseminating as a zoonotic pathogen causing life-threatening infections in human and animals. More than 70% of hvKp strains produce the K1 or K2 serotypes capsular. In addition, the multidrug-resistant hvKp strains have been emerging worldwide. Therefore, there is an urgent need for novel therapeutic agents directed against this formidable pathogen. Phage-encoded capsular depolymerases can specifically destroy the capsule and favor the removing of bacteria by immune system. So far as we know, the three-dimensional structures and molecular mechanisms of all reported depolymerases have not been studied. And the narrow spectrum of phage depolymerases due to the specificity is a major constraint on affecting its therapeutic application. In our previous studies, the first depolymerase (named Depo32) specific for K2 capsule of K. pneumoniae has been obtained. Depo32 shows effective treatment on K2 K. pneumoniae infections. The three-dimensional structure of Depo32 has been revealed by Cryo-SEM. Otherwise, our collaborator Professor Wang Jin-Town of Taiwan University also has reported the only depolymerases S2-4 and K1-ORF34 that specifically degrade K1 capsule of K. pneumoniae. Based on these studies, this research will further focus on revealing the 3D structures of these three depolymerases and the complexes of depolymerases with their substrates, intermediates and products by Cryo-SEM, and revealing the molecular mechanisms of capsule degradation of depolymerases. Based on the 3D structures and molecular mechanisms, the smaller depolymerase which can degrade both K. pneumoniae K1 and K2 capsules will be constructed by truncation and modification. This project will provide a solid theoretical and experimental basis for the development of new antibacterial drugs of depolymerases against the multidrug-resistant and capsule producing bacteria.
肺炎克雷伯菌是重要的人畜共患病原菌,可造成肺炎、菌血症等多种局部和全身性感染。其中产K1和K2型荚膜的肺克菌占强毒力菌株的70%以上,加之耐药性日益严重,目前缺乏有效的防控药物。噬菌体解聚酶可特异性降解细菌荚膜,帮助机体的巨噬细胞和补体等免疫系统有效清除产荚膜的病原菌。通过本项目,成功表达了对肺克菌K2型荚膜具有高效、特异水解活性的噬菌体解聚酶Depo32;转录组分析表明经Depo32处理,肺克菌多种毒力基因的转录水平得到了抑制,可使巨噬细胞更有效的将肺克菌吞噬清除,也使血清更有效的发挥杀菌活性;通过冷冻电镜解析了Depo32的三维结构,其以三聚体形式存在,具有多个水解活性域,成功鉴定了其关键的活性位点;Depo32能有效治疗K2型肺克菌感染引起的小鼠肺炎,帮助机体快速清除肺部的肺克菌,且重复使用不影响其治疗效果。进一步对解聚酶S2-4进行了表达,其对K1型的肺克菌荚膜具有特异的水解活性,可有效预防生物被膜的形成,帮助巨噬细胞有效清除肺克菌;S2-4对K1型肺克菌感染引起的小鼠菌血症表现出显著的治疗效果,帮助机体有效清除血液和各脏器的肺克菌;进一步解析了S2-4的蛋白质三维结构,其同样呈现出三聚体的组装形态,由多个活性域组成,关键氨基酸位点得到了验证,构建的多个截短体均表现出解聚活性。依据Depo32和S2-4的三维结构和活性域组成,成功构建了同时包含二者活性域的嵌合解聚酶DS2和SD2,二者对肺克菌的K1和K2型荚膜同时具有水解活性,也表现出对两个型的肺克菌生物被膜形成的预防和清除作用,且对K1型肺克菌感染引起的菌血症和K2型肺克菌感染引起的肺炎均表现出显著的治疗效果。综上,本项目解析了解聚酶Depo32和S2-4发挥荚膜解聚活性的分子机制,进一步根据二者的结构和活性域分布成功构建了具有二价活性的嵌合解聚酶,为高毒力强耐药肺炎克雷伯菌新型抗菌药物的后续研发奠定了坚实的理论与实验基础。
绿色气球菌噬菌体新型裂解酶AVPL的生物学特性及其跨菌种抗葡萄球菌的分子机制
  • 批准号:
    31872505
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    顾敬敏
  • 依托单位:
金黄色葡萄球菌噬菌体穿孔素及其与裂解酶CHAP片段重组蛋白的构建与作用机制
  • 批准号:
    31502103
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    顾敬敏
  • 依托单位:
国内基金
海外基金