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Mtb结核分枝杆菌蛋白质组芯片助力发文揭示结核分枝杆菌与宿主互作的效应蛋白
时间:2017-10-16 15:41:29

       来自上海交通大学系统生物医学研究院的陶生策团队,利用结核分枝杆菌蛋白组芯片,全局性地展示了结核分枝杆菌与巨噬细胞相互作用的效应蛋白。这项研究成果于 2017年 10 月 10日在 Molecular & Cellular Proteomics (MCP)上在线发表。
       肺结核 (tuberculosis, TB) 是由结核分枝杆菌 (Mycobacterium tuberculosis, Mtb) 所导致的,为目前全球最严重的感染性疾病之一。据 2016 年 WHO的估算,2015 年,有 140 万人死于 TB,另有 40 万人由于 HIV 与 Mtb 共感染而死亡。然而临床上 Mtb 的耐药性日益增加,同时缺乏新的抗结核药物,使得多耐药 (Multi Drug Resistance, MDR), 广泛耐药 (Extensive Drug Resistance, XDR) 病人几乎无药可治,因此,找到新的 Mtb 药物靶点迫在眉睫。

      Mtb 的独特之处在于能够在吞噬杀灭病原菌的巨噬细胞 (MΦ) 中长期存活并在合适的时机大量繁殖。Mtb 的效应蛋白(effector,一般是膜蛋白和分泌蛋白)在这个过程中扮演重要角色,它们能够与 MΦ 的蛋白相互作用,并影响 MΦ 的吞噬消化功能(图1)。由于 Mtb 的细胞壁非常复杂而致密,使得很多药物都难以有效进入 Mtb, 因此针对效应蛋白设计药物可以避开这个问题,从而破坏 Mtb 的效应蛋白对宿主的影响,帮助 MΦ 对付 Mtb。然而,由于缺乏高效的研究手段,目前已知的Mtb 效应蛋白据我们统计只有 14 个,这对于我们从整体上理解 Mtb 的致病机理远远不够。

  

             图1. Mtb 中研究的较为清楚的效应蛋白 PtpA 的作用机理

      我们基于 Mtb 蛋白质组芯片(该芯片覆盖了 95 % 的 Mtb 蛋白质),全局性地筛选与MΦ相互作用的 Mtb 蛋白,并从中确定了 26 个分泌蛋白和膜蛋白。我们将这种系统筛选病原与宿主相互作用的效应蛋白的方法命名为 SOPHIE (Systematic unlOcking of Pathogen and HostInteracting Effectors)。
      我们首先将两种人的单核细胞系(THP-1 和 U937)诱导分化成 MΦ 后,提取出总蛋白,并进行生物素化,然后将这些蛋白与 Mtb 蛋白质组芯片反应,通过带荧光标记的 Cy3-链霉素检测与宿主相互作用的 Mtb 蛋白。我们发现与人的 MΦ 相互作用的 Mtb 蛋白有 59 个,其中有 26个是分泌蛋白或膜蛋白。(图2)

 

                                                                       图2. SOPHIE 的实验流程
      进一步的,我们重点研究了其中的一个新发现的效应蛋白:BfrB,该蛋白是一种在 Mtb 中储存铁离子的蛋白,有多篇文章表明其能够分泌出 Mtb,而其在宿主中的作用却并不清楚。经过一系列实验,我们发现 BfrB 能够与人的 RPS3 蛋白相互作用(图3)。

图3. BfrB 与 RPS3 相互作用 

      RPS3 的作用之一是调控 NF-κB对下游特定基因的表达。我们发现在 TNF-α的刺激下,BfrB 能减少 RPS3 进入细胞核,影响了其作为调控 NF-κB 下游基因的功能(图4)。

                                        图4. BfrB 减少了 RPS3 进入细胞核,从而减弱了 NF-κB 的活性
 
      我们在 HEK293T 细胞中过表达 BfrB 发现能够很好的抑制 NF-κB下游基因 IL2和 IL8的表达,另外,在耻垢分枝杆菌中过表达 BfrB 能够抑制 MΦ 的细胞因子的表达,并促进 Mtb在细胞内的存活(图5)。因此,作为一种新发现的 Mtb 效应蛋白,BfrB 可以作为一个潜在的药物靶点。

                图5. 耻垢分枝杆菌中过表达 BfrB 能够减少巨噬细胞细胞因子的产生,并提高耻垢分枝杆菌的存活
 
      通过 SOPHIE 技术筛选得到的 26 个效应蛋白对于后续 Mtb 的病原宿主相互作用机制研究可能有重要的推动,并可提供系列重要可用于结核药物设计和筛选的靶蛋白。这些蛋白由于与已有结核药物的作用靶蛋白不同,因而有潜力用于抗体MDR-Mtb和XDR-Mtb药物的设计和筛选。同时 SOPHIE 具有通用性,如能构建更多类型的蛋白质芯片,对于其它重要病原也同样可以应用。
      上海交通大学系统生物医学研究院的陶生策研究员为本文通讯作者。陶生策研究员的主要研究方向为蛋白质芯片技术的开发和应用,建立了系列特色蛋白质芯片技术平台,并在其基础上开展了与医学密切相关的系统性研究。
     陶生策研究员作为广州博翀生物科技有限公司战略指导专家,对我司芯片产品的研发、生产以及技术服务等给予了许多支持与帮助。
     我司是国家高新技术企业,中国科学院生物物理研究所成果转化的标杆企业,专注于蛋白质芯片,是中国蛋白质芯片领域的领导企业,提供血清标志物筛选、药物作用靶标发现、疾病与宿主相互关系、信号通路蛋白质磷酸化、蛋白质表达、蛋白质相互作用、血清抗体谱筛选等多项蛋白水平组学技术服务项目。

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