FSHW | 丁香酚靶向CrtM抑制葡萄球菌黄素的生物合成

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Introduction

葡萄球菌黄素是金黄色葡萄球菌重要的毒力因子之一，其能够中和人体免疫系统产生的活性氧成分，增强菌株对人体的致病力。通过抑制葡萄球菌黄素的合成，能够显著降低金黄色葡萄球菌在人体中的存活率。因此葡萄球菌黄素被认为是极具潜力的金黄色葡萄球菌感染抗毒力治疗的靶点之一。

上海交通大学农业与生物学院施春雷教授团队（第一作者为博士研究生常江）在本文中首次将“以分子对接为基础的虚拟筛选”技术应用于靶向葡萄球菌黄素药物的筛选当中，建立了科学完善的葡萄球菌黄素抑制效力评价体系；首次发掘得到了能够有效抑制葡萄球菌黄素合成的天然活性成分—丁香酚（Eugenol）。该研究为食源性致病菌抑制剂的开发提供了新思路，同时为丁香酚作为抗毒力药物的潜在应用提供了坚实的数据支持。

Results and Discussion

靶向葡萄球菌黄素药物筛选体系的建立

4,4′-diapophytoene synthase（CrtM）是金黄色葡萄球菌黄素合成途径中的重要关键酶之一。本文以CrtM作为靶蛋白，以上海交通大学自主开发的中药有效成分数据库、有机小分子生物活性数据库以及开源的ZinC数据库中共计11092个小分子搭建配体分子库，使用“基于分子对接的虚拟筛选技术”发掘潜在的能够结合CrtM蛋白的小分子化合物。结果，共发现了11个潜在的CrtM功能抑制剂，如橙皮油素（auraptene）、薄荷醇（menthol）、丁香酚（Eugenol）等。随后对上述11种潜在CrtM功能抑制剂的葡萄球菌黄素抑制效力进行评价，发现亚抑制浓度的丁香酚能够显著抑制金黄色葡萄球菌黄素的合成，抑制率达到了84.2%（图1）。

丁香酚强力结合CrtM蛋白的功能验证

使用分子动力学模拟方法对丁香酚与CrtM蛋白间的结合力进行验证。结果发现，丁香酚能够与CrtM蛋白的氨基酸残基发生强烈的疏水相互作用及形成氢键（图2A，B），同时在分子动力学模拟过程中显示出稳定的结合力（图2C，D），表明丁香酚有可能强力结合CrtM蛋白并干扰其功能。

丁香酚显著抑制金黄色葡萄球菌黄素的合成

使用拉曼光谱法检测丁香酚作用下金黄色葡萄球菌黄素特征峰的变化特征。结果显示，葡萄球菌黄素特征峰（ 1161 cm-1和1525 cm-1）随着丁香酚浓度的升高发生明显减弱，在丁香酚药物浓度为300 μg/mL时，几乎无特征峰检出（图3）。

Conclusion

本文重点关注了金黄色葡萄球菌的重要毒力因子——葡萄球菌黄素，通过将“虚拟筛选”技术方法引入到靶向葡萄球菌黄素药物的筛选中，建立了一套科学有效的葡萄球菌黄素抑制剂筛选体系。同时对筛选得到的丁香酚的葡萄球菌黄素抑制效力进行了系统的评价及机制探究。相关结果将为靶向葡萄球菌黄素药物的开发和应用提供一定的理论指导和数据支持。

第一作者

常江，男，上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程专业博士研究生在读，主要研究方向为食源性致病菌控制技术开发。

通信作者

施春雷，上海交通大学农业与生物学院研究员，博士生导师，食品科学与工程系主任，美国康奈尔大学食品科学系博士后。主要从事食源性致病菌污染防治方面的基础及应用研究，2015年入选“中国-新西兰科学家交流计划”。“十三五”国家重点研发计划“食品安全关键技术研发”专项项目首席科学家，前后主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目等20余项。发表论文136篇，其中SCI收录87篇；参编专著5部；申请发明专利28项，授权17项；制修订国家及行业标准5项。先后获得省部级科技奖励5项。2014年主办“中丹食品安全与食品溯源研讨会”。担任国际期刊Frontiers in Microbiology、Foods和Journal of Food Safety编委，Lancet Infectious Diseases、Microbiology Spectrum和Food Control等本领域多个重要期刊的审稿人。兼任中国食品科学技术学会食品安全与技术标准分会理事、上海市卫健委食品安全风险评估专家委员会风险监测专业委员会委员等。

Eugenol targeting CrtM inhibits the biosynthesis of staphyloxanthin in Staphylococcus aureus

Jiang Changa, Bo Chena, Zeqian Dub, Bowen Zhaob, Jiahui Lia, Ziyi Lia, Kannappan Arunachalama, Ting Shib, Dongqing Weib, Chunlei Shia,*

a MOST-USDA Joint Research Center for Food Safety, School of Agriculture and Biology, State Key Laboratory of Microbial Metabolism, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

b School of Life Sciences and Biotechnology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

*Corresponding author.

Abstract

Staphylococcus aureus is a serious foodborne pathogen threatening food safety and public health. Especially the emergence of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) increased the diff iculty of S. aureus treatment. Staphyloxanthin is a crucial virulence factor of S. aureus. Blocking staphyloxanthin production could help the host immune system counteract the invading S. aureus cells. In this study, we first screened for staphyloxanthin inhibitors using a virtual screening method. The outcome of the virtual screening method resulted in the identification of eugenol (300 μg/mL), which significantly inhibits the staphyloxanthin production in S. aureus ATCC 29213, S. aureus Newman, MRSA ATCC 43300 and MRSA ATCC BAA1717 by 84.2%, 63.5%, 68.1%, and 79.5%, respectively. The outcome of the growth curve assay, f ield-emission scanning electron, and confocal laser scanning microscopy analyses confirmed that eugenol at the test concentration did not affect the morphology and growth of S. aureus. Moreover, the survival rate of S. aureus ATCC 29213 and MRSA ATCC 43300 under H2O2 pressure decreased to 51.9% and 45.5% in the presence of eugenol, respectively. The quantitative RT-PCR and molecular simulation studies revealed that eugenol targets staphyloxanthin biosynthesis by downregulating the transcription of the crtM gene and inhibiting the activity of the CrtM enzyme. Taken together, we first determined that eugenol was a prominent compound for staphyloxanthin inhibitor to combat S. aureus especially MRSA infections.

Reference:

CHANG J, CHEN B, DU Z Q, et al. Eugenol targeting CrtM inhibits the biosynthesis of staphyloxanthin in Staphylococcus aureus[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(3): 1368-1377. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250115.

文章编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意

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