2023年1月23日，浙江大学基础医学院冯友军课题组与国科大杭州高等研究院蓝乐夫研究员课题组通力合作，在微生物学旗舰刊物《PLoS Pathogens》发表题为“The opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosaexploits bacterial biotin synthesis pathway to benefit its infectivity”的研究长文，揭示了碳青霉烯耐药铜绿假单胞菌(CRPA)的生物素途径新靶点。

该研究成果是继发现1)布鲁氏菌在内的α-变形细菌所采用的特殊BioZ生物素通路(Nat Commun, 2021)与2)耐药分枝杆菌生物素途径的独特“BioC-BioH(3)”起始步骤(PLoS Pathog, 2022)以来,冯友军课题组在“全健康(One Health)”理念下，探索ESKAPE细菌感染与代谢方面的又一重要进展！

生物素是一类水溶性B族维生素，通常是以蛋白翻译后修饰的形式参与生命体的中心代谢。生物素是一类高耗能的生物分子，其合成途径受到精密调控。冯友军课题组曾率先揭示了分枝杆菌BioQ蛋白所执行的独特生物素感应机制(MM, 2014 & MM, 2018)。除了以辅酶形式发挥功效，生物素代谢亦参与部分致病细菌的感染过程。因此， “生物素作为一类限制性毒力因子” 这一假说逐渐为学界认可。

作为ESKAPE病原体的重要一员，铜绿假单胞菌通常引起院内感染与社区获得性肺部感染。近年来，铜绿假单胞菌群体凸现了碳青霉烯耐药的克隆群(CRPA)，这严重威胁了当下极度有限的临床治疗方案。在“全健康”理念下，“挖掘新抗菌靶点和开发新型抗生素” 已迫在眉睫、刻不容缓。值得指出的是，细菌生物素途径的部分关键酶或许具备“成药性”的潜力(图1)！

图1：生物素合成途径在抗CRPA感染中的成药性机制

该研究以铜绿假单胞菌PAO1及其CRPA耐药性克隆为实验材料，从遗传学与生物化学这两个维度，定义了一个衔接脂肪酸合成途径FASII与生物素晚期步骤的去甲基化酶(BioH/PA0502)。对细菌生物素浓度的测定，发现其在铜绿假单胞菌的胞内水平比大肠杆菌高3倍以上。生物素翻译修饰特异性Western blot检测，则指出这类生物素的生理性高需求与其存在多个生物素修饰的底物蛋白呈现正相关。进一步生化实验表明，BioH重组蛋白可实现生物素体外合成系统的重建(图2)。

图2：基于BioH的体外生物素合成体系的重建

遗传学实验表明：BioH基因的失活不仅可导致铜绿假单胞菌PAO1的生物素营养缺陷，而且削弱了其抗吞噬能力。基于小鼠不同组织和器官匀浆，该研究亦绘制了其特有的生物素丰度图谱(图3)。比较分析的结果，意外发现小鼠血浆生物素水平大约是人类血浆的6倍以上(图3)。基于此，通过生物素螯合剂建立了一个模拟人血浆生物素水平的2套CD-1小鼠模型：小鼠肺部感染模型与小鼠系统感染模型。在上述实验感染模型中，发现BioH对于维系铜绿假单胞菌PAO1的高毒力发挥了重要作用(图1)。尤为重要的是，生物素合成抑制剂MAC13772的添加，不仅可以干扰CRPA的生存能力，而且能够抑制其毒力因子——绿脓菌素的生成。综上，该研究结果不仅拓展了我们对ESKAPE生物素代谢与感染生物学的认知，而且明确了生物素合成途径在抗CRPA感染中的成药性(图1)。

图3：小鼠不同器官/组织的生物素丰度及其与在人血浆中的浓度比较

冯友军课题组长期聚焦于“细菌脂代谢与耐药/致病性”的机制研究，发表重要研究论文70余篇，累计引用9900余次(h-指数：49)。该研究工作获得了国家基金委多个项目的联合资助【依次为：国家杰出青年基金(32125003) ，重点项目(31830001)以及耐药重大专项(32141001)】。浙江大学医学院博士生史钰，动物科学院硕士生孙敬都与国科大杭州高等研究院/中科院上海药物所联合培养硕士生曹芹系该研究工作的共同第一作者。浙江大学冯友军教授(https://person.zju.edu.cn/fyj)与国科大杭州高等研究院蓝乐夫研究员担任该研究论文的共同通讯作者。

原文链接：

https://journals.plos.org/plospathogens/article/authors?id=10.1371/journal.ppat.1011110