Structural and biochemical characterization of DltC

Abstract

Staphylococcus aureus (S. aureus), a Gram-positive bacterium, is a harmful pathogen that can cause various infections in humans, including serious infections that are often acquired in hospital settings. The prevalence of antibiotic resistance adds to the challenges posed by S. aureus infections, with methicillin-resistant S. aureus (MRSA) being the most significant in clinical settings. Teichoic acids (TAs), that exist in the cell wall of most gram-positive bacteria including S. aureus, play a number of crucial functions in bacterial pathological processes, making it as an attractive drug target. S. aureus incorporate positively charged D-alanine into the TA and changes the net charge of the cell wall, through the cooperative function of four proteins, DltA, B, C and D, that are encoded by the dltABCD operon. The subsequent alteration of overall net-charge of the S. aureus cell wall mediates the resistance towards antimicrobial peptides, antibacterial peptides, bacteriocins, beta-lactam antibiotics. In this work, through the structural, biophysical and cellular approaches, we characterize the S. aureus DltC and its interactions with DltA, that are critical for antibiotic resistance of S. aureus. Using X-ray crystallography and NMR spectroscopic methods, we characterize a novel ‘hot-spot’ that is critical for the interaction between DltA and DltC. Disrupting the DltA-DltC interaction by mutating the hot-spot results in the marked decrease in antibiotic resistance of S. aureus. Together, we present a novel strategy to overcome S. aureus antibiotic resistance. ;황색 포도상구균(Staphylococcus aureus)은 인간에게 다양한 감염을 일으키는 양성 그람균으로, 생명을 위협하는 의료기관 감염을 포함한 다양한 감염을 유발한다. 황색 포도상구균 감염은 항생제 내성이 빈번하게 발생하는데, 특히 메티실린 내성 황색 포도상구균(MRSA)이 가장 중요한 임상적 문제로 대두되고 있다. 황색 포도상구균을 비롯한 대부분의 양성 그람균 세포벽에 존재하는 Teichoic acids (TAs)는 세균의 병원성 과정에서 여러 가지 중요한 기능을 수행하여 약물 대상으로 간주된다. 황색 포도상구균은 DltA, B, C, D라는 네 개의 단백질이 협력하여 세포벽에 양성 전하를 갖는 D-알라닌을 TAs에 통합시키고, 이로 인해 세포벽의 전하를 변화시킨다. 이를 통해 황색 포도상구균은 항균 펩타이드, 항균 펩타이드, 박테리오신, 베타-락탐계 항생제에 대한 내성을 갖게 된다. 본 연구에서는, X-선 결정학과 NMR 분광학적 방법을 사용하여 황색 포도상구균의 DltA와 DltC 간 상호작용에 중요한 잔기들을 특정화 하였다. 구조적, 세포학적 접근을 통해 중요한 잔기들을 돌연변이로 변형하여 DltA-DltC 상호작용을 방해하면 황색 포도상구균의 항생제 내성이 현저히 감소한다. 이를 통해 황색 포도상구균의 항생제 내성을 극복하기 위한 새로운 전략을 제시한다.