金黄色葡萄球菌脂肪酸代谢通过saeRS调控关节感染中细菌聚集的机制研究

《Nature Communications》：Staphylococcus aureus fatty acid metabolism governs saeRS-mediated aggregation in joint infections

本研究聚焦金黄色葡萄球菌在关节感染中形成耐药性聚集体的难题，揭示了脂肪酸激酶（fak）系统通过调控双组分系统saeRS，进而影响纤维连接蛋白结合蛋白（FnbA/B）介导的细菌聚集。研究人员发现fak通过清除外源性脂肪酸并维持功能膜微区（FMMs）完整性激活saeRS，而十一烷酸（UDA）可抑制fak通路，显著增强抗FASII抗生素疗效。该研究为关节感染提供了新的治疗靶点和联合用药策略。

　　

关节感染是骨科临床面临的重大挑战，其中金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是导致化脓性关节炎和假体周围感染的主要病原体。值得注意的是，这种细菌在关节滑液中会快速形成肉眼可见的聚集物，这些聚集物能够帮助细菌逃避宿主免疫系统的攻击和抗生素的杀伤，导致感染迁延不愈。然而，科学家们对于金黄色葡萄球菌在滑液中形成聚集物的精确调控机制了解甚少，这严重制约了针对性治疗策略的开发。

为了解开这一谜团，来自上海交通大学医学院附属第六人民医院骨科的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项重要研究。他们发现，金黄色葡萄球菌的聚集能力与关节感染的严重程度直接相关，而这一过程受到一个名为fak-saeRS信号通路的精密调控。具体来说，脂肪酸激酶（fak）系统能够利用宿主环境中的外源性脂肪酸，通过影响组氨酸激酶SaeS在功能膜微区（FMMs）中的定位来激活saeRS双组分系统，进而促进纤维连接蛋白结合蛋白A和B（FnbA/B）的表达。FnbA/B能够与滑液中的纤维蛋白原结合，像"胶水"一样促使细菌相互聚集。更有意义的是，研究人员从124种脂肪酸代谢物中筛选出十一烷酸（UDA），发现它能有效抑制fak系统，破坏细菌聚集，并与抗脂肪酸合成II途径（FASII）的抗生素产生协同作用，为治疗耐药性关节感染提供了新的希望。

研究人员运用了多项关键技术方法：他们收集了152例临床金黄色葡萄球菌分离株进行表型分析；通过定向进化实验筛选聚集缺陷型突变体；利用全基因组测序鉴定关键基因突变；采用RNA测序（RNA-seq）分析基因表达；通过蛋白质组学分析聚集物成分；建立小鼠关节感染模型评估体内疗效；运用分子对接和分子动力学模拟研究蛋白质相互作用；使用表面等离子共振（SPR）技术检测结合亲和力；通过同位素标记追踪脂肪酸代谢途径。

S. aureus synovial aggregation contributes to joint infections

研究人员首先分析了152例临床分离的金黄色葡萄球菌菌株，发现来自关节感染患者的菌株具有更强的聚集能力，但与生物膜形成能力无关。动物实验进一步证实，高聚集菌株会引起更严重的关节损伤、功能障碍和细菌负荷。这些聚集物能显著增强细菌对免疫细胞杀伤和抗生素的抵抗力，表明聚集行为是关节感染的关键致病因素。

Directed evolution revealed that synovial aggregation depends on SaeRS activity

通过定向进化实验，研究人员筛选出丧失聚集能力的金黄色葡萄球菌突变体。基因组测序发现，这些突变均发生在fakA或saePQRS基因位点。基因敲除和回补实验证实，fakA通过调控saeRS影响聚集行为，且fak位于saeRS的上游。

FnbA/B-Fibrinogen interaction is the key step in synovial aggregation

蛋白质组学分析显示，聚集物主要包含免疫球蛋白、纤维蛋白原等宿主蛋白。通过机器学习分析转录组数据，研究人员预测并验证了saeR直接调控的8个粘附素基因，发现只有fnbA和fnbB的回补能恢复ΔsaeRS菌株的聚集能力。进一步实验表明，纤维蛋白原（而非纤维连接蛋白）通过结合FnbA/B介导了聚集过程。

S. aureus fak activates saeRS and fnbA/B by scavenging exogenous fatty acids

转录组分析发现，在滑液环境中saeRS-fnbA/B通路显著上调。同位素示踪实验显示，高聚集菌株具有更强的外源性脂肪酸利用能力。脂肪酸去除实验证明，fak通过清除抑制性的外源性脂肪酸来激活saeRS通路。

fak regulates saeS activity by maintaining FMMs integrity

研究人员发现SaeS与FMMs支架蛋白FloA存在相互作用，且fakA突变会破坏FMMs结构。抑制FMMs的药物可降低saeS活性和细菌聚集，表明fak通过维持FMMs完整性来调控SaeS功能。

Metabolite screening reveals undecanoic acid as an inhibitor of the Fak system

通过筛选124种代谢物，研究人员发现十一烷酸（UDA）能特异性抑制fak系统而不影响细菌生长。分子对接和SPR实验证实UDA与FakB1/B2具有高亲和力结合，且能有效抑制临床菌株的聚集能力。

UDA coadministration prevents anti-FASII antibiotic resistance and alleviates septic arthritis in mice

在治疗应用中，UDA与抗FASII抗生素（如AFN1252）联用可显著降低耐药性发生频率（4.68-32.5倍）。小鼠关节感染模型证实，UDA与AFN1252联合治疗能有效清除细菌、减轻炎症并恢复关节功能，效果与万古霉素相当。

这项研究系统阐明了金黄色葡萄球菌在关节环境中通过fak-saeRS-fnbAB通路实现聚集的分子机制，首次揭示了脂肪酸代谢、膜微区组织与毒力调控之间的内在联系。值得注意的是，研究人员开发的定向进化策略为研究细菌表型的遗传基础提供了新思路。而十一烷酸（UDA）作为fak系统的天然抑制剂，不仅具有优良的生物相容性，还能逆转细菌对抗FASII抗生素的耐药性，这为治疗顽固性关节感染提供了全新的联合治疗方案。该研究不仅深化了对病原体-宿主相互作用的理解，更展示了靶向细菌代谢通路克服抗生素耐药性的巨大潜力，具有重要的临床转化价值。