钙离子调控金黄色葡萄球菌超强皮肤粘附的分子机制：SdrD与DSG-1的非共价相互作用解密

《科学·进展》推荐：研究人员揭示了金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)通过丝氨酸-天冬氨酸重复蛋白D(SdrD)与人类皮肤桥粒芯蛋白-1(DSG-1)形成超强机械稳定复合物的机制。该研究结合单分子力谱(SCFS/SMFS)与分子动力学模拟，发现Ca2+通过稳定SdrD B结构域和EC4桥粒结构，介导了迄今最强的非共价相互作用(>2 nN)，为特应性皮炎(AD)等疾病的靶向治疗提供新思路。

　　

在人类与病原体的漫长博弈中，金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)始终是皮肤感染的"头号通缉犯"。这种革兰氏阳性菌不仅是健康人群的常见定植菌，更是特应性皮炎(AD)等慢性皮肤病恶化的关键推手。随着抗生素耐药性问题的加剧，尤其是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的流行，科学家们迫切希望破解其粘附机制。皮肤最外层的角质层(SC)是抵御细菌的第一道防线，但金黄色葡萄球菌却能突破重围——它通过表面锚定蛋白如SdrD与角质细胞表面的桥粒芯蛋白-1(DSG-1)形成"分子铆钉"，这种相互作用的强度甚至超越已知的病毒-宿主结合力。更令人担忧的是，在AD患者皮肤中，钙离子(Ca²⁺)梯度紊乱和DSG-1分布异常可能进一步放大这种致命粘附。

为揭示这一超强相互作用的奥秘，研究团队采用了多尺度研究策略：通过单细胞力谱(SCFS)和原子力显微镜(AFM)技术，定量分析了临床分离株AD08及工程菌株Lactococcus lactis SdrD⁽⁺⁾与健康/AD角质细胞的相互作用力；结合AlphaFold2和分子动力学(MD)模拟构建了SdrD:DSG-1复合物的全原子模型；利用体外单分子力谱(SMFS)验证了钙离子对复合物稳定性的调控作用。研究特别关注了来自AD患者的角质细胞样本，通过比较分析揭示了病理条件下的粘附差异。

SdrD介导角质细胞粘附的特征

通过定量成像技术发现，表达SdrD的乳酸菌在健康角质细胞边缘形成密集的粘附点，平均粘附力高达2336±263 pN，而对照菌株几乎无结合。动态力谱(DFS)显示该相互作用具有典型的"捕获键"特性——机械负荷下结合力可增强至4 nN，创造了非共价相互作用的新纪录。

DSG-1是SdrD的关键配体

生物信息学预测DSG-1存在两个潜在结合区：远端肽段(p_DIST)和近膜肽段(p_PROX)。SMFS实验证实全长DSG-1与SdrD的结合力达2076±248 pN，而合成的p_PROX^*肽段(ININIQSFGNDDRTNTEPNGSGSGSGSC)仍保持1808±196 pN的强力，结合分子动力学模拟的自由能计算(ΔG相差5 kcal/mol)，锁定p_PROX为真实结合位点。

机械稳定性与结构域序贯解折叠

91%的力-位移曲线呈现特征性"锯齿模式"，对应SdrD五个B结构域的序贯解折叠(每个峰值间距43±7 nm，解折叠力2213±267 pN)。粗粒化模拟显示，去除B结构域数量不影响A结构域的最终解离力，表明其机械稳定性主要源于EC4桥粒结构形成的"体积阻力"。

钙离子的双重稳定作用

EDTA螯合实验表明，Ca²⁺不仅维持B结构域折叠(解折叠频率从91%降至5%)，更意外地增强A结构域结合力(从2076升至2601 pN)。通过构建EC3-EC4"玩具系统"模拟发现，钙缺失使桥粒解折叠力降低35%，揭示了Ca²⁺通过稳定相邻cadherin结构域间接强化复合物的新机制。

AD角质细胞的异常粘附景观

与健康细胞相比，AD角质细胞表面出现数百纳米的"圆形纳米物体"(推测为异常聚集的corneodesmosomes)，且SdrD粘附点遍布整个细胞表面。力谱检测到2156 pN和4000 pN的双峰分布，对应单分子和多重结合事件，印证了AD皮肤中DSG-1弥散分布的理论假设。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，首次揭示了Ca²⁺通过"双锁"机制稳定SdrD:DSG-1复合物的分子细节：既直接加固B结构域的免疫球蛋白折叠，又通过EC4桥粒形成刚性支撑网络。特别值得注意的是，位于结合界面的芳香族残基(Tyr³⁶¹/Phe⁴⁸⁶等)形成的π-π堆叠，与经典SdrG-Fgβ依赖的氢键模式形成鲜明对比。这些发现不仅为理解AD等疾病的细菌定植机制提供了新视角，更启示了靶向钙依赖性相互作用的抗感染策略——例如设计EC4结构域竞争性抗体或开发钙螯合剂局部制剂。在更广阔的层面上，这种强度超越原子间作用力的生物分子互作，也为设计超稳定合成材料提供了仿生蓝图。