周妍妍，闞 飆

在自然環(huán)境中，細(xì)菌需要應(yīng)對生長環(huán)境（溫度、鹽濃度、氧氣、營養(yǎng)素等）的不斷變化。細(xì)菌發(fā)展了一些機(jī)制以適應(yīng)這些環(huán)境的變化。其中，對可用碳源的適應(yīng)性機(jī)制是其中的重要方面。碳源是細(xì)菌對復(fù)雜環(huán)境作出適應(yīng)反應(yīng)的信號之一，某種特定碳源的出現(xiàn)也許使細(xì)菌感受到正處于感染相關(guān)的機(jī)體組織或細(xì)胞中，從而促使毒力基因表達(dá)。本文就致病菌碳源代謝與毒力調(diào)控的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行綜述。

1 細(xì)菌碳源代謝機(jī)制

細(xì)菌對可用碳源的適應(yīng)性機(jī)制包括：當(dāng)特定碳源存在時(shí)誘導(dǎo)對該碳源的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)并加以利用，主要通過碳源磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（carbohydrate phosphotransferase system，PTS）攝取，也可以經(jīng)ABC轉(zhuǎn)運(yùn) 蛋 白 （ATP－binding cassette transporters）和GPH 轉(zhuǎn) 運(yùn) 蛋 白 （galactoside－pentose hexuronide translocators）進(jìn)行碳源的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)；若同時(shí)存在幾種碳源，細(xì)菌會優(yōu)先利用最有效的碳源并抑制對其他碳源利用，即碳源降解物阻遏（carbon catabolite repression，CCR）。在腸道菌和革蘭陽性菌中，PTS介導(dǎo)CCR作用。PTS［1］是很重要的感應(yīng)并控制碳源代謝的系統(tǒng)，能攝取并磷酸化多達(dá)20種PTS糖及其衍生物，其以磷酸烯醇丙酮酸（PEP）作為磷酸基團(tuán)的供體，EI發(fā)生自磷酸化后將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給HPr，HPr又將磷酸基團(tuán)傳遞給EIIA。除果糖PTS系統(tǒng)外，共用磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白EI和HPr向特異EII蛋白傳遞磷酸基團(tuán)。已知的EII蛋白由三個以上的結(jié)構(gòu)和功能域組成，通常稱為EIIA、EIIB、EIIC。EIIA、EIIB成分作為HPr與底物之間的磷酸傳遞體，而EIIC成分通常包含多個（螺旋結(jié)構(gòu)，嵌于膜內(nèi)形成疏水通道。通常，EI、HPr、EIIA和甘露糖的EIIB的組氨酸殘基被磷酸化，而其他EIIB是半胱氨酸殘基磷酸化。革蘭陽性菌和一些革蘭陰性菌的HPr色氨酸殘基能被磷酸化。PTS蛋白的磷酸化狀態(tài)具有很重要的調(diào)節(jié)功能。

在腸道菌里，CCR主要是通過去磷酸化的EIIAGlc（Glc，葡萄糖glucose）［2］介導(dǎo)。當(dāng)有效的碳源存在時(shí)，去磷酸化的EIIAGlc抑制乳糖、蜜二糖通透酶，麥芽糖運(yùn)載蛋白MalK和甘油激酶的活性，從而影響這些糖醇的吸收利用，也即誘導(dǎo)排斥（Inducer exclusion）。

革蘭陽性菌的CCR主要通過HPr介導(dǎo)。革蘭陽性菌的六聚體酶 HprK／P （HPr kinase／P－Ser－HPr phosphorylase）介導(dǎo)HPr的絲氨酸殘基磷酸化或去磷酸化。當(dāng)高效源如葡萄糖、果糖被攝取時(shí)，非PEP和EI的有效底物的P－Ser－HPr含量升高，抑制了其它碳源通過PTS的攝取。當(dāng)只有低效碳源存在時(shí)，菌內(nèi)無機(jī)磷酸鹽含量升高，HPr主要以PEP和EI的有效底物P～His－HPr形式存在。這種HPr的不同形式，直接或間接與CCR有關(guān)［3］。其次，P－Ser－HPr能與 CcpA（catabolite control protein A）形成復(fù)合物結(jié)合到cre（catabolite response elements）上，從而介導(dǎo)碳源降解物激活（carbon catabolite activation，CCA）或CCR。在枯草桿菌和其他革蘭陽性菌中，大約10%的基因受CcpA／PSer－HPr調(diào)節(jié)。此外，P－Ser－HPr還介導(dǎo)非依賴CcpA的CCR機(jī)制。還有，P～His－HPr及P～EII還分別正負(fù)調(diào)控一些含磷酸化作用位點(diǎn)PRD（PTS regulation domain）的反終止因子和轉(zhuǎn)錄激活子，從而介導(dǎo)非依賴CcpA的CCR機(jī)制［4］。

2 硬壁菌門碳源代謝與毒力的相關(guān)關(guān)系

在化膿鏈球菌中，M蛋白是其主要的致病因子，存在于細(xì)胞壁，由emm編碼，起抗吞噬作用并促進(jìn)對組織和胞外基質(zhì)的粘附。當(dāng)存在包括葡萄糖等幾類碳源時(shí)，會激發(fā)M蛋白的表達(dá)?；騟mm的上游是基因mga（multiple gene regulator），Mga不僅調(diào)控自身的表達(dá)和M蛋白，還調(diào)控有關(guān)細(xì)胞粘附、侵襲和免疫逃逸的蛋白［5］。目前已知CcpA能結(jié)合在Mga啟動子區(qū)cre從而介導(dǎo)CCA，通過啟動子P1正調(diào)控 mga 轉(zhuǎn)錄［6］，P－Ser－Hpr很有可能與 CcpA形成復(fù)合物參與了這個過程。CcpA正調(diào)控mga，與葡萄糖能激發(fā)M蛋白合成的現(xiàn)象是一致的［3］。在不同的生長階段Mga的表達(dá)不一樣，因此P1會在細(xì)菌生長的哪一階段起作用還未知?；撴溓蚓腃cpA除了可能在某一進(jìn)程通過Mga調(diào)控M蛋白，還介導(dǎo)了對鏈球菌溶血素S（streptolysin S，SLS）的抑制［7］。并且，通過轉(zhuǎn)錄組比較，發(fā)現(xiàn)CcpA與很多其他毒力因子也相關(guān)［8］。除了CcpA，與乳糖PTS組分有關(guān)的醛縮酶LacD．1能強(qiáng)烈抑制感染相關(guān)基因speB的表達(dá)［9］。另外，麥芽糖／麥芽三糖PTS對鏈球菌在唾液里的生長及在口咽部的定殖起到很重要的作用［10］。最后，在化膿鏈球菌中，編碼 MsmR（multiple sugar metabolism regulators）的基因位于一個含毒力基因的區(qū)域，而其中的一些毒力基因確實(shí)也是受MsmR控制［11］。

在單增李斯特菌中，Crp／Fnr家族的轉(zhuǎn)錄激活子PrfA能夠調(diào)節(jié)多個毒力基因如plcA、plcB、hly、actA、mpl、uhpT 和inlC 的表達(dá)［12］，而葡萄糖、果糖、麥芽糖、纖維二糖等能被高效利用的碳源會抑制PrfA的表達(dá)。PrfA的表達(dá)雖然與CcpA無關(guān)，但用枯草桿菌作為異源系統(tǒng)對PrfA的研究顯示PSer－HPr的增加能減低PrfA的活性［13］。同時(shí)，EI、HPr的失活也會極大削弱PrfA的活性［13］，可見，PrfA的活性有賴于PTS磷酸級聯(lián)的完整。其次，反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白基因ResD的失活會使高效碳源不再抑制一些PrfA調(diào)節(jié)的毒力基因表達(dá)［14］。另外，P～His－HPr磷酸化甘油激酶能夠大大增加甘油激酶的活性，而甘油的利用能增加PrfA調(diào)節(jié)基因的表達(dá)［15］，由此可見PTS蛋白與PrfA的聯(lián)系。

還有很多其他革蘭陽性菌的碳源代謝和毒力有聯(lián)系。產(chǎn)氣莢膜梭菌的CcpA影響膠原蛋白酶、孢子生成效率，并與腸毒素基因cpe及莢膜合成相關(guān)，且能抑制Ⅳ型菌毛相關(guān)的滑移［16］。肺炎鏈球菌的CcpA與莢膜多糖合成有關(guān)，CcpA的失活能使肺炎鏈球菌毒力的下降，并且CcpA與其在鼻咽部的定殖、肺部的繁殖有關(guān)［17］。β－半乳糖苷酶BgaA的生成對肺炎鏈球菌的粘附和在鼻咽部的定殖很重要，而其受CcpA調(diào)控［18］。最后，小鼠肺炎鏈球菌感染模型的肺部組織能誘導(dǎo)乳糖／纖維二糖PTS和甘露糖 PTS特異性表達(dá)［19］。

3 含HprK／P的變形菌碳源代謝與毒力的相關(guān)關(guān)系

除了革蘭陽性菌里有HprK／P，革蘭陰性菌里的α、β、γ－變形菌也有 HprK／P［20］。這些革蘭陰性菌里有EI、HPr和一兩個EIIA，缺乏CcpA、EIIB和EIIC。

在α－變形菌中，hprK 通常鄰近ptsH（編碼HPr）或編碼EIIA的基因，且和毒力或共生相關(guān)調(diào)節(jié)基因在同一操縱子里［3］，這種基因位置的鄰近可能預(yù)示著毒力與碳源代謝的關(guān)系。根瘤土壤桿菌中，chvI－chvG 基因 編碼EnvZ／OmpR 雙組分系統(tǒng)（two－component system），其缺失后能導(dǎo)致根瘤菌毒力消失［21］，而根瘤菌的hprK 和chvI－chvG 就在同一個操縱子里。其次，除了hprK基因可能和根瘤菌致病相關(guān)，乙酰丁香酮等可通過雙組分信號傳導(dǎo)系統(tǒng)VirA／VirG誘導(dǎo)一系列毒力基因vir的表達(dá)。此外，可能屬ABC碳源轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的葡萄糖／半乳糖結(jié)合蛋白ChvE，能通過介導(dǎo)葡萄糖、半乳糖、巖藻糖、阿拉伯糖、木糖等碳源的趨化和攝取來誘導(dǎo)毒力基因vir的表達(dá)，并在細(xì)菌趨化性也起作用［22］。牛種布魯氏桿菌中，BvrR／BvrS雙組分系統(tǒng)可能通過與PTS組分相互作用，直接間接影響布魯桿菌進(jìn)入胞內(nèi)微環(huán)境的過程［23］。而ptsN和ptsH 的缺失也導(dǎo)致了布魯桿菌毒力的減弱［24］，如pts相關(guān)缺失株顯示毒力相關(guān)蛋白VirB的生成明顯減少［25］。

β－變形菌中，腦膜炎奈瑟氏菌的hprK與果糖EIIA編碼基因及yhbJ位于同一操縱子里，而hprK的缺失能導(dǎo)致腦膜炎奈瑟菌粘附細(xì)胞的能力明顯下降［20］。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是因?yàn)榛騳hbJ在腸桿菌中屬于rpoN 操縱子的一部分，能作用于Ⅳ型菌毛合成基因pilE 的－12、－24啟動子區(qū)［26］。

γ－變形菌中，嗜肺軍團(tuán)菌和銅綠假單胞菌的ptsP缺失株毒力大部分消失，在動物模型和細(xì)胞里生長緩慢，而相應(yīng)的回補(bǔ)株能夠使毒力回復(fù)，顯示這兩類菌的毒力與 PTS相關(guān)［27－28］。

4 不含HprK／P的變形菌碳源代謝與毒力的相關(guān)關(guān)系

部分變形桿菌不含HprK／P，其毒力基因的表達(dá)通過其他一些碳源代謝機(jī)制調(diào)控。鼠傷寒沙門氏菌中，去磷酸化EIIBGlc通過控制作用于基因hilE啟動子區(qū)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 Mlc，抑制hilE從而促進(jìn)SPI－1（毒力島I）的基因表達(dá)［29］。而基因ptsI（EI編碼基因）、cya（腺苷酸環(huán)化酶，催化 ATP生成cAMP）、crp（CRP編碼基因）的失活均能導(dǎo)致鼠傷寒沙門氏菌在動物模型里毒力的減弱［30］，其中，ptsI的失活影響激活cya表達(dá)的P～EIIAGlc生成，因此推斷ptsI可能也是通過CRP－cAMP影響細(xì)菌毒力。當(dāng)鼠傷寒沙門氏菌進(jìn)入腸道，短鏈脂肪酸能通過BarA－SirA雙組分系統(tǒng)誘導(dǎo)SPI－1和SPI－2核心轉(zhuǎn)錄激活蛋白hilA的表達(dá)［31］。在霍亂弧菌中，CRP－cAMP復(fù)合物影響其毒力的表達(dá)、密度感應(yīng)、動力和小腸定殖［32］，其中一部分可能是由CRP－cAMP對核心調(diào)節(jié)蛋白HapR的CCR作用所致。其次，霍亂弧菌的EI還調(diào)節(jié)生物膜相關(guān)的生長［33］。創(chuàng)傷弧菌的甘露醇代謝與其毒力相關(guān)，具體機(jī)制未知［34］。伴放線菌聚集桿菌，能致嚴(yán)重的牙周炎，它的白細(xì)胞毒素也受CRP－cAMP調(diào)節(jié)［35］。火疫歐文氏桿菌能使薔薇科植物患火燒病，而此菌對植物感染的前提是PTS對蔗糖的轉(zhuǎn)運(yùn)［36］。在假結(jié)核耶爾森氏菌里，Csr（carbon storage regulator system）通過RovM調(diào)節(jié)其毒力調(diào)節(jié)蛋白RovA，其中，csrC和csrB編碼的sRNAs抑制rovA表達(dá)，而CsrA抑制RovA的合成［37］。福氏志賀菌的RNA結(jié)合蛋白CsrA能促進(jìn)其糖酵解，而磷酸果糖激酶Pfk1（由pfkA編碼）是其糖酵解途徑的一個關(guān)鍵酶。csrA、pfkA的失活均能使毒力蛋白IpaB、IpaC產(chǎn)量降低，同時(shí)，毒力蛋白Ipa的正調(diào)控蛋白編碼基因virF、virB 轉(zhuǎn)錄水平也降低［38］。

5 放線菌門碳源代謝與毒力的相關(guān)關(guān)系

放線菌門的結(jié)核分枝桿菌是很重要的人類致病菌。在小鼠模型里，結(jié)核分枝桿菌在感染的早期需要ABC轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)對糖醇的轉(zhuǎn)運(yùn)［39］，后期依賴宿主的脂肪酸作為碳源［40］。結(jié)核分枝桿菌編碼ABC轉(zhuǎn)運(yùn)脂肪系統(tǒng)的mce操縱子在體外培養(yǎng)狀態(tài)表達(dá)受抑制［41］，mce操縱子被敲除的結(jié)核分枝桿菌在小鼠體內(nèi)的毒力大大降低［42］，這些預(yù)示著碳源代謝與結(jié)核分枝桿菌致病有關(guān)聯(lián)。其次，結(jié)核分枝桿菌可以在吞噬細(xì)胞的吞噬小體里生存，但在吞噬小體里并沒有宿主碳源，不過其中有結(jié)核分枝桿菌合成分枝菌酸時(shí)分泌出胞外的海藻糖，結(jié)核分枝桿菌可以利用 ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) LpqY－SugA－SugB－SugC 來逆向轉(zhuǎn)運(yùn)海藻糖進(jìn)胞內(nèi)作為能量來源，而對海藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)的干擾會削弱其毒力［43］。另外，有毒力的牛型結(jié)核分枝桿菌，在體外連續(xù)傳代后，其CRP（Rv3676編碼）發(fā)生位點(diǎn)突變而失活，這可能致使CRP控制的宿主體內(nèi)生存相關(guān)基因不能表達(dá)，使毒力減弱但仍保持免疫原性，從而獲得卡介苗（BCG）［44］。

5 小 結(jié)

越來越多的證據(jù)表明HprK／P及PTS蛋白是碳源代謝與毒力相關(guān)連的紐帶，革蘭陽性菌里的單增李斯特菌和鏈球菌的P－Ser－Hpr調(diào)節(jié)毒力基因表達(dá)的分子機(jī)制比較明確，而革蘭陰性菌里HprK／P和PTS蛋白與細(xì)菌毒力相關(guān)的跡象也越來越多。不過，P－Ser－HPr調(diào)控PrfA是在枯草桿菌異源系統(tǒng)里證實(shí)的，需要進(jìn)一步在單增李斯特菌里驗(yàn)證，而葡萄糖對mga的影響也需要在鏈球菌里進(jìn)一步確定。除了HprK／P和PTS蛋白，CRP－cAMP也是調(diào)節(jié)毒力的關(guān)鍵因素，ABC轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和雙組分系統(tǒng)也可能在碳源代謝與毒力之間起橋梁作用，還有在鼠傷寒沙門氏菌中，Mlc調(diào)節(jié)SPI－1的途徑也已比較明朗?？傊?，從碳源代謝在細(xì)胞代謝中的重要性，不難理解其與細(xì)菌毒力的聯(lián)系，只是其中的機(jī)制還不是很清楚，如CRP－cAMP究竟是怎樣調(diào)控毒力相關(guān)基因表達(dá)的，鼠傷寒沙門氏菌里的ptsI是不是通過CRP－cAMP影響毒力表達(dá)，磷酸化／非磷酸化蛋白如何與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白相互作用等。特別是對于胞內(nèi)菌如單增李斯特菌、福氏志賀菌、鼠傷寒沙門氏菌和結(jié)核分枝桿菌，碳源代謝在體內(nèi)是不是確實(shí)影響毒力基因表達(dá)，如何影響，都需要細(xì)胞、組織培養(yǎng)及動物模型這些體內(nèi)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步確證和積累數(shù)據(jù)。

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