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对大肠杆菌 K1 外膜蛋白 A 与人脑微血管内皮细胞预测结合位点的实验验证:鉴定阻止大肠杆菌脑膜炎的关键突变。

Experimental validation of the predicted binding site of Escherichia coli K1 outer membrane protein A to human brain microvascular endothelial cells: identification of critical mutations that prevent E. coli meningitis.

机构信息

From the Materials and Process Simulation Center, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125.

出版信息

J Biol Chem. 2010 Nov 26;285(48):37753-61. doi: 10.1074/jbc.M110.122804. Epub 2010 Sep 17.

DOI:10.1074/jbc.M110.122804
PMID:20851887
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2988380/
Abstract

Escherichia coli K1, the most common cause of meningitis in neonates, has been shown to interact with GlcNAc1-4GlcNAc epitopes of Ecgp96 on human brain microvascular endothelial cells (HBMECs) via OmpA (outer membrane protein A). However, the precise domains of extracellular loops of OmpA interacting with the chitobiose epitopes have not been elucidated. We report the loop-barrel model of these OmpA interactions with the carbohydrate moieties of Ecgp96 predicted from molecular modeling. To test this model experimentally, we generated E. coli K1 strains expressing OmpA with mutations of residues predicted to be critical for interaction with the HBMEC and tested E. coli invasion efficiency. For these same mutations, we predicted the interaction free energies (including explicit calculation of the entropy) from molecular dynamics (MD), finding excellent correlation (R(2) = 90%) with experimental invasion efficiency. Particularly important is that mutating specific residues in loops 1, 2, and 4 to alanines resulted in significant inhibition of E. coli K1 invasion in HBMECs, which is consistent with the complete lack of binding found in the MD simulations for these two cases. These studies suggest that inhibition of the interactions of these residues of Loop 1, 2, and 4 with Ecgp96 could provide a therapeutic strategy to prevent neonatal meningitis due to E. coli K1.

摘要

大肠杆菌 K1 是新生儿脑膜炎最常见的病因,已被证明通过 OmpA(外膜蛋白 A)与人脑微血管内皮细胞(HBMEC)上的 Ecgp96 的 GlcNAc1-4GlcNAc 表位相互作用。然而,与壳二糖表位相互作用的 OmpA 胞外环的精确结构域尚未阐明。我们从分子建模中预测了这些 OmpA 与 Ecgp96 碳水化合物部分相互作用的环桶模型。为了通过实验检验该模型,我们生成了表达 OmpA 突变体的大肠杆菌 K1 菌株,这些突变体的残基被预测为与 HBMEC 相互作用的关键残基,并测试了大肠杆菌的侵袭效率。对于这些相同的突变,我们从分子动力学(MD)预测了相互作用的自由能(包括对熵的显式计算),发现与实验侵袭效率有极好的相关性(R²=90%)。特别重要的是,将 loop1、2 和 4 中的特定残基突变为丙氨酸会导致大肠杆菌 K1 在 HBMEC 中的侵袭显著抑制,这与 MD 模拟中这两种情况下完全没有结合一致。这些研究表明,抑制 Loop 1、2 和 4 中这些残基与 Ecgp96 的相互作用可能为预防因大肠杆菌 K1 引起的新生儿脑膜炎提供一种治疗策略。

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