链球菌是革兰氏阳性、兼性厌氧细菌，它们主要栖息在人类口腔及上呼吸道，与人类健康密切相关。其中肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)是机会致病菌，导致肺炎、脑膜炎等疾病;变形链球菌(S. mutans)是龋齿的主要致病菌;而口腔有益菌寡发酵链球菌(S. oligofermentans)则产生H2O2，抑制变形链球菌的生长。链球菌的独特之处是不产生高效分解H2O2的触酶，因此有氧代谢时积累大量的H2O2。同时，它们也能耐受高浓度的H2O2，提示它们具有独特的抗氧化机制。研究人员发现，链球菌生长时产生的内源性H2O2帮助它们抵抗高浓度的H2O2胁迫，而H2O2自诱导防御的分子机制尚不清楚。
2020年3月17日，美国微生物学会权威期刊mSystems在线发表了该课题组最新研究成果“Redox-regulated adaptation of Streptococcus oligofermentans to hydrogen peroxide stress”。该研究揭示了链球菌中独特的、H2O2敏感的半胱氨酸巯基所介导的H2O2自诱导防御的分子机制：过氧化物响应抑制蛋白PerR及锰转运抑制蛋白MntR的半胱氨酸感应胞内低浓度的H2O2，并被氧化失活从而解除对所抑制的抗氧胁迫基因(巯基氧化还原及金属离子平衡蛋白)的表达，发挥抗氧化功能(如图)。我们先前的研究证明40 μM H2O2氧化锰转录调控蛋白MntR的半胱氨酸使之失活(Chen et al., J Biol Chem, 2017)，本研究通过氧化还原蛋白质组学技术、Redox Western blotting、Cys点突变、免疫沉淀结合质谱分析,证实40 μM H2O2可氧化过氧化物响应抑制蛋白PerR的Cys139及Cys142残基。而PerR的半胱氨酸氧化导致其结构性锌离子丢失，使之可逆性失活，解除对其调控的巯基氧化还原(trx和tpx)及金属离子平衡等基因(dpr及mntABC)的抑制。我们的研究结果揭示链球菌为适应其胞内独特的高锰环境，PerR蛋白利用半胱氨酸氧化感应H2O2，并调控巯基氧化还原蛋白及金属离子平衡蛋白的表达，帮助触酶阴性的链球菌抵抗H2O2胁迫。
图. 链球菌低浓度H2O2介导的H2O2自诱导防御机制
东秀珠研究员课题组长期致力于链球菌抗氧胁迫的分子机制研究，最近发现链球菌利用碳代谢物抑制蛋白CcpA同时调控葡萄糖的优先利用及H2O2产生。同时，CcpA还在转录后水平，通过调控转录通读而调控自然感受态的最适形成，使寡发酵链球菌摄取外界DNA从而增强对氧化损伤的修复，增加基因组稳定性而贡献抗氧胁迫(Wang et al., Mol Microbiol, 2019)。东秀珠团队还发现原核生物的膜整合蛋白-水通道蛋白在链球菌中与抗氧胁迫及致病性密切相关。水通道蛋白(Aquaporin，AQPs)是广泛存在于三域生命的一类跨膜蛋白，协助水及其他小分子物质，如甘油，尿素等双向扩散。1998年Peter Agre首次发现人红细胞膜上的AQP协助水分子跨膜扩散，并因此而获得2003年的诺贝尔化学奖。真核生物的AQPs协助转运H2O2及NO等，发挥信号分子作用，调控细胞的凋亡以及疾病发生。而目前原核生物AQPs的生理功能绝大部分未知。东秀珠课题组首次表明寡发酵链球菌的水通道蛋白AqpA协助H2O2双向渗透;重要的是，aqpA基因缺失显著削弱了寡发酵链球菌高氧压力下的生长，并减弱其种内及种间竞争生存能力。因此AqpA特化为一个H2O2转运蛋白，帮助触酶阴性的链球菌脱毒细胞内的H2O2，抵御氧化压力(Tong et al., J Biol Chem, 2019)。该课题组还发现肺炎链球菌的非典型甘油型水通道蛋白Pn-AqpC缺失显著影响肺炎链球菌的抗氧胁迫能力及致病性和毒力，其分子机制正在研究中。
以上所揭示的链球菌抗氧胁迫的新机制，不仅丰富了对原核生物抗氧胁迫的认识，同时对利用和控制链球菌提供了思路，尤其是低浓度H2O2介导的H2O2免疫机制及水通道蛋白新的生理功能的认知，使得口腔有益菌更好地抑制龋齿致病菌，并可为致病链球菌，如肺炎链球菌的控制提供新的作用靶点。
东秀珠课题组的副研究员佟卉春、博士生东雨竹、王新慧为论文的共同第一作者，东秀珠研究员和佟卉春副研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的资助。
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