猪链球菌病（Streptococosis）是一种重要的人兽共患病，1998年和2005年曾两次在我国暴发，引起重大的人员伤亡。在当前限抗禁抗养殖背景下，猪链球菌病已成为我国危害养猪业最重要的细菌性传染病。
近日，南京农业大学病原微生物致病机制及免疫团队范红结教授在Nature Communications上发表了题为“A link between STK signalling and capsular polysaccharide synthesis in Streptococcus suis”的研究论文，揭示了Stk1磷酸化修饰调控猪链球菌荚膜多糖（CPS）生物合成的机制。
CPS是细菌的重要毒力因子，能够帮助细菌应对剧烈的环境变化，对抗宿主免疫系统，如补体沉积和调理吞噬作用等。但是，细菌应对不同环境或者宿主小生境时，其如何有效地调节CPS合成以促进自身存活未见报道。真核样丝氨酸/苏氨酸激酶（eSTK）是细菌磷酸化信号传导的新标志，其控制着细菌几乎所有的生理学过程。该团队前期研究发现猪链球菌Stk1能够影响细菌突破血脑屏障（BBB）的能力（Liu et al. Cell Microbiol, 2018），并影响细菌毒力。然而，Stk1磷酸化调控猪链球菌毒力的机制尚不清晰。
图1 Stk1/Stp1系统可逆磷酸化修饰CcpS
本研究发现猪链球菌丝氨酸苏氨酸激酶Stk1能够特异性地磷酸化修饰底物蛋白CcpS，且CcpS的磷酸化修饰仅发生在特异的氨基酸残基Thr4和Thr7，而Stk1相关磷酸酶Stp1能够可逆去除CcpS-P的磷酸化修饰（图1）。随后的研究表明CcpS的磷酸化修饰是活跃的，其广泛地参与猪链球菌的抗各类应激反应过程。进一步探究CcpS的生物学功能，发现Stk1-CcpS系统能够调控猪链球菌CPS合成，并介导细菌的抗巨噬细胞吞噬作用。
图2 磷酸化调控CcpS对CpsB的亲和力
该团队首次证实了磷酸转移系统CpsBCD在猪链球菌CPS合成中的重要作用，发现CcpS能与CpsB互作，而CpsB是磷酸转移系统CpsBCD的重要一员。进一步研究发现，磷酸化依赖的CcpS能够调控CpsB的酶活性，从而将Stk1信号传导与CPS生物合成联系起来。结构解析发现CcpS的晶体N末端呈现内在无序区域（IDRs），包括两个苏氨酸残基能够被Stk1磷酸化修饰（图2），当CpsB结合非磷酸化状态的CcpS时，其活性被抑制。
图3 厚壁菌门细菌广泛存在CcpS同源蛋白磷酸化的信号传导机制
该研究表明，几种重要的革兰氏阳性病原菌（包括肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌、化脓链球菌等）中，CcpS同源蛋白均能够被Stk1磷酸化修饰（图3）。本研究揭示了CcpS调控CpsB的活性，进而改变CpsD的磷酸化，最终调控Wzx-Wzy途径的活性与CPS合成的机制，拓展了细菌Stk1/Stp1磷酸化调控网络，同时为抗细菌感染药物研发提供了新靶点。本研究提出的CcpS功能模式，对厚壁菌门中几种常见的重要病原菌毒力调控机制研究有重要参考价值。
图4 Stk1-CcpS信号途径调控CPS合成的分子机制模式图
南京农业大学博士研究生唐金升为该论文第一作者，范红结教授为通讯作者。南京农业大学生命科学学院王伟武教授、冉婷婷副教授，病原微生物致病机制及免疫团队马喆教授、蔺辉星博士以及部分研究生参与了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。