Nature子刊：北京大学揭示大肠杆菌多重抗药性调控蛋白MarR分子机

北京大学化学与分子工程学院陈鹏课题组与北京大学合成与功能生物分子中心主任何川课题组合作，证明二价铜离子可以作为天然的信号分子(诱导剂)激活MarR蛋白并引发MarR蛋白介导的多重耐药性。相关文章发表于2013年11月03日的《Nature Chemical biology》杂志上。

图示为抗生素引起铜离子信号介导的MarR激活

病原菌的多重耐药性日益成为威胁人类健康的重大问题。在这场人类与病原菌的博弈中，病原菌往往采取多种策略应对抗生素产生的不利影响，其中一个重要机制是通过內源性全局调控网络(global regulatory networks)来实现对多种抗菌药物的耐药性。这一网络受到转录因子的严格调控。大肠杆菌MarR蛋白既是一种典型的转录抑制因子，它在肠杆菌(Enterobacteriaceae)中具有高度保守性，对细菌耐药性密切相关的marRAB操纵子 (marRAB regulun)有负调控作用。

传统观点认为酚类化合物(如水杨酸)以及多种抗生素能与MarR蛋白结合使蛋白的构象改变发生去抑制(derepression)进而引起细菌抗药性的产生。然而这些底物并未被证实是MarR蛋白生理相关的调控因子,MarR蛋白的天然诱导物(信号)及其调控方式至今仍不清楚。

研究小组通过对一系列可能成为MarR蛋白诱导剂的筛选和验证，他们最终发现二价铜离子能够引起大肠杆菌MarR蛋白的激活。 体内试验也证明了二价铜离子是调控MarR蛋白的生理信号。

接着他们通过生物化学和结构生物学的实验进一步揭示了二价铜离子调控MarR蛋白的分子机制：两个相邻MarR蛋白的80位的半胱氨酸在二价铜离子的催化氧化下形成两队分子间的二硫键，使天然的二聚体(与DNA结合形式)转变为四聚体并从DNA上解离下来。

在此基础上，大肠杆菌体内铜离子信号的来源也被该项工作所揭示，他们首次发现水杨酸以及临床广泛使用的抗生素如氨苄青霉素和诺氟沙星能够刺激大肠杆菌体内游离铜离子浓度的升高并最终诱导MarR蛋白的去抑制。

此项研究工作首次证明了二价铜离子是MarR蛋白的天然调控信号并将抗生素产生的包膜压力以及铜离子信号与MarR介导的大肠杆菌耐药性联系起来，提出了铜离子介导的细菌耐药性的新的调控方式。 这一工作对于深入理解临床和自然环境中抗生素耐药机制，推动开发出对抗多重抗生素耐药病菌感染的新型药物具有重要的意义。

北京大学化学与分子工程学院博士研究生郝子洋、博士后楼湖冰是该论文的共同第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、北大-清华生命科学联合中心的资助。

原文摘要：

The multiple antibiotic resistance regulator MarRis a copper sensor in Escherichia coli

Ziyang Hao, Hubing Lou, Rongfeng Zhu, Jiuhe Zhu, Dianmu Zhang, Boxuan Simen Zhao,Shizhe Zeng, Xing Chen, Jefferson Chan, Chuan He & Peng R Chen

The widely conserved multiple antibiotic resistance regulator (MarR) family of transcription factors modulates bacterial detoxification in response to diverse antibiotics, toxic chemicals or both. The natural inducer for Escherichia coli MarR, the prototypical transcription repressor within this family, remains unknown. Here we show that copper signaling potentiates MarR derepression in E. coli. Copper(II) oxidizes a cysteine residue (Cys80) on MarR to generate disulfide bonds between two MarR dimers, thereby inducing tetramer formation and the dissociation of MarR from its cognate promoter DNA. We further discovered that salicylate, a putative MarR inducer, and the clinically important bactericidal antibiotics norfloxacin and ampicillin all stimulate intracellular copper elevation, most likely through oxidative impairment of copper-dependent envelope proteins, including NADH dehydrogenase-2. This membrane-associated copper oxidation and liberation process derepresses MarR, causing increased bacterial antibiotic resistance. Our study reveals that this bacterial transcription regulator senses copper(II) as a natural signal to cope with stress caused by antibiotics or the environment.

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