Structural basis of broad-spectrum β-lactam resistance in Staphylococcus aureus

变构调节 跨膜结构域 化学 突变体 减压 细胞生物学 金黄色葡萄球菌 劈理(地质) 金属蛋白酶 生物物理学 受体 生物 生物化学 细菌 遗传学 基因 基因表达 古生物学 断裂(地质) 心理压抑
作者
J. Andrew N. Alexander,L.J. Worrall,Jinhong Hu,M. Vuckovic,Nidhi Satishkumar,Raymond Poon,Solmaz Sobhanifar,Federico I. Rosell,Joshua Jenkins,Daniel Chiang,W.A. Mosimann,Henry F. Chambers,Mark Paetzel,Som S. Chatterjee,N.C.J. Strynadka
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:613 (7943): 375-382 被引量:54
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05583-3
摘要

Abstract Broad-spectrum β-lactam antibiotic resistance in Staphylococcus aureus is a global healthcare burden 1,2 . In clinical strains, resistance is largely controlled by BlaR1 3 , a receptor that senses β-lactams through the acylation of its sensor domain, inducing transmembrane signalling and activation of the cytoplasmic-facing metalloprotease domain 4 . The metalloprotease domain has a role in BlaI derepression, inducing blaZ (β-lactamase PC1) and mecA (β-lactam-resistant cell-wall transpeptidase PBP2a) expression 3–7 . Here, overcoming hurdles in isolation, we show that BlaR1 cleaves BlaI directly, as necessary for inactivation, with no requirement for additional components as suggested previously 8 . Cryo-electron microscopy structures of BlaR1—the wild type and an autocleavage-deficient F284A mutant, with or without β-lactam—reveal a domain-swapped dimer that we suggest is critical to the stabilization of the signalling loops within. BlaR1 undergoes spontaneous autocleavage in cis between Ser283 and Phe284 and we describe the catalytic mechanism and specificity underlying the self and BlaI cleavage. The structures suggest that allosteric signalling emanates from β-lactam-induced exclusion of the prominent extracellular loop bound competitively in the sensor-domain active site, driving subsequent dynamic motions, including a shift in the sensor towards the membrane and accompanying changes in the zinc metalloprotease domain. We propose that this enhances the expulsion of autocleaved products from the active site, shifting the equilibrium to a state that is permissive of efficient BlaI cleavage. Collectively, this study provides a structure of a two-component signalling receptor that mediates action—in this case, antibiotic resistance—through the direct cleavage of a repressor.
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