新洋葱伯克霍尔德菌中群体感应系统和c-di-GMP系统调控机制研究

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群体感应系统和环二鸟苷酸(c-di-GMP)系统普遍存在于革兰氏阴性细菌中,参与调控细菌细胞的运动性、生物膜形成以及致病毒力等多种生物学功能。先前的研究结果表明,在新洋葱伯克霍尔德菌Burkholderia cenocepacia中,BDSF(Burkholderia diffusible signal factor)群体感应系统(简称BDSF系统)通过调节胞内c-di-GMP浓度以调控下游目的基因。Rpf R是含有PAS、GGDEF和EAL结构域的BDSF信号受体蛋白,其PAS结构域感知BDSF信号后可增强自身EAL结构域磷酸二酯酶活性,以降低胞内c-di-GMP水平,但关于其下游调控机制尚不清楚。在本研究中,为了阐明BDSF群体感应系统与c-di-GMP系统信号网络下游调控机制,我们选择在BDSF系统中显著下调表达的凝集素基因簇bcl ACB作为报告基因,构建Tn5转座子突变文库,筛选正调控bcl ACB基因簇表达水平的转录调控蛋白。总共筛选到9个转录调控蛋白(Bcal0941、Bcal2314、Bcam2022、Bcam2033、Bcal0124、Bcal1536、Bcal3178、Bcam2839和Bcal2294),随后将这9个调控蛋白编码基因分别过表达至BDSF信号的合成酶rpf FBc和受体rpf R突变体中,结果表明仅过表达Bcal1536基因能够恢复rpf FBc和rpf R突变体群集运动性和生物膜形成缺陷表型。这一结果表明Bcal1536可能是BDSF系统下游一种转录调控蛋白。Bcal1536蛋白是一种Fis家族转录调节蛋白,随后将该蛋白命名为Gtr R(global transcriptional regulator of downstream Rpf R),Gtr R含有AAA和HTH两个功能结合域。通过对Gtr R蛋白生物学功能进行分析研究发现,gtr R突变体中群集运动性、生物膜产量、对细胞和小鼠的致病毒性显著降低;RNA-seq分析结果表明:与野生型相比,gtr R突变体中共340个基因差异表达(|Log2(Fold change)|≥1且FDR(False Discovery Rate)≤0.05),这些基因与运动性、细胞粘附、毒力、转录调控因子、膜组分、耐药性和信号转导等生物功能密切相关,且与受BDSF系统调控的基因存在着大量重叠;而通过EMSA实验证明Gtr R蛋白能够特异性地结合bcl ACB基因簇、cep I基因启动子DNA序列。为了进一步研究调控蛋白Gtr R与c-di-GMP/BDSF信号网络之间的关联,我们对Gtr R、Rpf R与c-di-GMP的互作情况进行研究。通过MST实验分析表明Gtr R蛋白与c-di-GMP信号无结合活性,而与Rpf R蛋白存在直接地结合;后续通过细菌双杂交实验也证实了这一结论;Rpf R能够增强Gtr R对目标基因启动子的结合,而c-di-GMP信号可以通过结合Rpf R蛋白的EAL功能域减弱这种增强作用。此外,Gtr R蛋白具有弱GTP酶和弱ATP酶活性,其中的K170、D236、R311和R357等4个氨基酸位点对Gtr R蛋白功能至关重要。综上,我们完整阐释了一种新型的BDSF信号调控网络:BDSF信号分子受体蛋白Rpf R不仅能感受BDSF信号和降解c-di-GMP信号,还能感受c-di-GMP并结合下游转录调控因子Gtr R。低细胞密度时,BDSF信号浓度在阈值以下,胞内高c-di-GMP水平抑制Rpf R-Gtr R复合体调控活性,进而抑制目标基因的表达水平;高细胞密度时,BDSF信号结合Rpf R蛋白的PAS结构域并激活EAL结构域c-di-GMP降解活性,降低胞内c-di-GMP浓度,Rpf R蛋白增强Gtr R蛋白对目标基因转录水平上表达调控,并最终调控B.cenocepacia致病毒力。此外,通过BLAST分析,Rpf R、Gtr R的同源蛋白在Burkholderia属、Achromobacter属、Paraburkholderia属和Yersinia属等细菌中高度保守,表明这种Rpf R-Gtr R调控机制广泛存在于病原菌中,是一种重要且广泛存在的调控机制。
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