全 旭 王鶴齡 張慧彥 許彤彤 王春陽 崔云霞 孟維艷

作者單位：130021長春，吉林大學口腔醫(yī)院（孟維艷為通訊作者）

環(huán)二鳥苷酸（cyclic diguanylate，c-di-GMP）是細菌內廣泛存在的一類重要的第二信使分子，調控細菌的運動性，生物膜形成，細胞毒性，細胞周期，細胞分裂等生理生化過程。生物膜是細菌的一種生存狀態(tài)，它的形成是一個連續(xù)的過程，由生物膜引起得感染普遍存在。本文主要概述了c-di-GMP的代謝和分子調控機制以及c-di-GMP在細菌生物膜形成過程中所起到的調控作用。

一、c-di-gmp的代謝及其分子調控機制

1.c-di-gmp的代謝

1987年，在葡糖醋酸桿菌中發(fā)現(xiàn)了環(huán)二鳥苷酸（cyclic diguanylate，c-di-GMP），并確認其為纖維素合成酶異構激活因子[1]。目前已知c-di-GMP是由2分子GTP在含有GGDEF結構域的二鳥苷酸環(huán)化酶（DGCs）作用下形成，而在含有EAL或HD-GYP結構域的磷酸二酯酶（PDEs）的作用下被降解為pGpG 或 2 個分子的 GMP[2，3]。

（1）CCDEF結構域與c-di-GMP的合成

1995年，在新月桿菌中PLeD的C端發(fā)現(xiàn)了GGEDF結構域，報道了其高度保守的Gly-Gly-Asp-Glu-Phe序列基序，但并未描述其生化特性。2001年，Pei等[4]對GGDEF的序列和結構進行了生物信息學分析，提出GGDEF結構域是二鳥甘酸環(huán)化酶（DGCs）起催化作用的核心結構域，并推測GGDEF是GTP的結合位點。PleD[5]是最早發(fā)現(xiàn)的DGC，Paul等證實了含有GGDEF結構域的PleD可將 GTP合成為 c-di-GMP。GG（D/E）EF基序是GGDEF 結構域的活性位點[2，6，7]，又稱為 A 位點，它與底物GTP結合，催化c-di-GMP的合成。在該活性中心上游的5個氨基酸殘基處有一個RXXD基序，稱為抑制位點（I位點）。當合成的c-di-GMP與I位點結合時，GGDEF結構域蛋白產生非競爭性抑制劑反饋抑制DGCs的催化反應。這種反饋調節(jié)可以使細胞內c-di-GMP濃度處于一個動態(tài)平衡[8，9]。大多數(shù)GGDEF結構域蛋白質都具有I位點，如PleD及WspR。但也有的GGDEF結構域蛋白質沒有I位點[9，10]，例如野油菜黃單胞菌中的XCC4471蛋白，其包含的GGDEF結構域并沒有I位點，而是通過c-di-GMP二聚體與A位點結合形成XCC4471GGDEF-（c-di-GMP）2復合體競爭性抑制DGCs的活性[11]。

（2）EAL及HD-GYP結構域與c-di-GMP的分解

1986年，Benziman等人在從葡糖醋酸桿菌中提取出PDEs，并證實其可將c-di-GMP水解為線性di-GMP，如 5‘-pGpG，最終水解為單體 pG。EAL[12]通過與金屬離子Mg2+或者Mn2=結合激活PDEs的活性，而與Ca2+及Zn2+結合則會抑制PDEs的活性。EAL活性的激活依賴于水合金屬簇，它可以水解c-di-GMP的磷酸酯鍵。HD-GYP[13]結構域屬于HD家族，這個家族的成員可水解各種底物。Ryan等證實野油菜黃單胞菌中的HD-GYP結構域蛋白RpfG參與c-di-GMP的降解。在異源宿主中表達時，HD-GYP結構域蛋白RpfG可功能性的取代EAL結構域的磷酸二酯酶（PDE），將HD-GYP結構域蛋白RpfG提純，可發(fā)現(xiàn)其具有磷酸二酯酶（PDE）的活性[14]目前對有酶活性的HD-GYP結構域蛋白的結構特征所知甚少。食菌蛭弧菌中的Bd1817是第一個被確定結構的HD-GYP結構域蛋白，由于Bd1817其GYP基序缺乏一個保守的酪氨酸，故并不具有磷酸二酯酶（PDE）活性，在體外也不能和c-di-GMP 結合[15，16]。

2.c-di-GMP的分子調控機制

c-di-GMP的調控是分子水平的，包括：①變構調節(jié)酶活性或蛋白質功能；②通過調節(jié)轉錄因子近一步調控基因的表達；③通過直接作用于核糖開關調控基因表達。當細菌感受到周圍環(huán)境變化帶來的刺激時，可通過調控c-di-GMP的合成酶和水解酶來控制細胞內c-di-GMP的水平，不同濃度的胞內c-di-GMP可被c-di-GMP的受體蛋白感知而引起下游分子活動的變化，從而實現(xiàn)c-di-GMP的信號傳導。例如c-di-GMP可調控細菌從浮游狀態(tài)到靜止狀態(tài)的可逆性轉變，已證實在大腸桿菌、銅綠假單胞菌及沙門氏菌中，高濃度的c-di-GMP可促使細菌聚集從而形成生物膜，而低濃度的c-di-GMP可促使生物膜分解[17]；遺傳篩選也發(fā)現(xiàn)c-di-GMP信號傳導途徑可調控多種動植物病原菌的毒力[18～20]；最近發(fā)現(xiàn)c-di-GM與其他核苷酸信號（p）ppGpp可協(xié)同調控分枝桿菌的細胞形態(tài)，細胞分裂以及全基因組的表達[21]。

與其他核苷酸信號通路一樣，c-di-GMP的調控需要其受體蛋白的參與。目前已知的受體主要有兩類：效應蛋白和核糖體開關，效應蛋白是c-di-GMP在細菌體內的下游作用靶點如PilZ、FleQ[22，23]。PilZ具有兩個保守的氨基酸殘基基序RXXXR和D/NXSXXG，當c-di-GMP與含有PilZ結構域的效應蛋白結合時，這兩個基序發(fā)揮重要作用。如含有PilZ結構域的FlgZ受體蛋白和c-di-GMP結合時，通過與MotCD（促進銅綠假單胞菌群集運動的鞭毛定子）相互作用進而抑制銅綠假單胞菌的群集運動[24，25]。FleQ作為一種新型的c-di-GMP受體，可直接與細菌胞外多糖及鞭毛基因的啟動區(qū)結合，參與細菌胞外多糖及鞭毛基因的轉錄調控，從而差異性調節(jié)生物膜基質成分的表達[26]。核糖開關是一種RNA順式作用元件，通常由適體結構域和表達平臺域兩部分組成[27]，適體結構域與配體結合后通過構象的改變調控下游基因的表達[28]。根據(jù)作用機制可將c-di-GMP的核糖開關分為c-di-GMPⅠ型和c-di-GMPⅡ型[29，30]。c-di-GMP Ⅰ型核糖開關與c-di-GMP結合后，可改變表達平臺域的構象，抑制mRNA，從而調控下游基因的表達[29]。c-di-GMPⅡ型核糖開關基于其表達平臺域具有核酶活性，與c-di-GMP結合后能催化自我剪切mRNA，形成外顯子，暴露核糖結合位點，進而促進蛋白質合成[30]。如在艱難梭菌中，c-di-GMP與被稱為 Cdi2_4的c-di-GMPⅡ型核糖開關特異性結合可調控Ⅳ型鞭毛（T4P）基因表達，從而促進艱難梭菌的聚集[31]。

二、c-di-gmp在細菌生物膜形成中的調控作用

1.生物膜的形成

生物膜是指細菌黏附于生物或非生物接觸表面，分泌胞外基質并將其自身包繞其中而形成的大量細菌膜狀聚集物[32]。胞外基質是生物膜的主要支架，占到生物膜總體積的85%，可促進生物膜內細胞之間的交流。胞外基質主要包括胞外多糖、蛋白質、核酸、脂類及細胞殘骸等，其中，胞外多糖又是胞外基質的主要成分[33]。生物膜的形成依賴于一系列的細胞因子及信號通路的調控，其形成過程可為三個階段：第一個階段是細菌的可逆性、不可逆性黏附；第二個階段是生物膜的形成；第三個階段是生物膜的成熟及分散。

2.c-di-GMP對細菌黏附的影響

細菌最初和表面接觸時，為克服表面的張力通過鞭毛介導的泳動（swimming motility）使細菌到達物體的表面。FleQ是鞭毛合成的主導調節(jié)因子，它與flhA結合可啟動鞭毛基因的級聯(lián)表達[34]。FleQ的活性不但與 FLeN有關[34，35]，也受 c-di-GMP的調控[26]。目前已證實，F(xiàn)LeN與c-di-GMP均可通過抑制ATP酶的活性調整FleQ的功能，使FleQ不能調控下游鞭毛基因，進而抑制鞭毛的合成[36]。YcgR作為c-di-GMP的受體，其包含PliZ結構域，當c-di-GMP與YcgR結合時也可抑制鞭毛的合成[37]。c-di-GMP對細菌鞭毛的抑制發(fā)生在細菌的可逆性黏附之前可阻止生物膜的早期形成，發(fā)生在可逆性黏附之后可消除表面動力使細菌穩(wěn)定的黏附于接觸表面促使可逆性黏膜向不可逆性黏附轉變。

細菌的不可逆性黏附與細菌群集運動（swarming motility）、顫動（twitching motility）及胞外多糖密切相關。目前已證實DGCs及PDEs影響細菌的群集運動，研究發(fā)現(xiàn)SadC是一種DGC，BifA是一種PDE，它們可通過調節(jié)c-di-GMP的水平進而調控細菌的表面運動及不可逆性黏附。如在銅綠假單胞菌中sadC突變型菌株可促進細菌的群集運動，抑制細菌的不可逆性黏附；bifA突變型菌株則與此相反，即其可促進細菌的不可逆性黏附，抑制細菌的群集運動；而只有bifA型突變菌株對細菌的顫動起抑制作用[38，39]。Pel與Psl為銅綠假單胞菌的兩種胞外多糖，Colvin等人發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌pel型突變菌株和psl型突變菌株其生物膜發(fā)育的單細胞階段是受抑制的，并且與非突變型菌株相比突變型菌株形成的生物膜量也有所減少[40]。

3.c-di-GMP與生物膜的成熟

細菌的黏附于表面后增殖形成微菌落，然后聚集成大菌落，最后形成成熟的生物膜。

而胞外多糖在細菌的黏附及生物膜的成熟階段都發(fā)揮的重要的作用。胞外多糖具有多樣性，比如銅綠假單胞菌能產生三種不同的胞外多糖即alginate，Pela和Psl。alginate由銅綠假單胞菌的黏液性菌株產生，c-di-GMP可調控alginate的合成。含PilZ結構域的Alg44是c-di-GMP的受體蛋白，其在體外與c-di-GMP結合可以調節(jié)alginate的合成及聚合，當細胞內c-di-GMP呈高濃度表達時，alginate的合成也相應有所增加[41，42]。Psl與Pel不僅參與細菌的黏附，也與生物膜的成熟有關[40]。在生物膜的成熟過程的早期，Pel作為微生物群落形成生物膜的結構支架，并且與生物膜的致密性有關[43]。FleQ作為c-di-GMP的受體也參與調節(jié)胞外多糖Pel的基因轉錄。研究發(fā)現(xiàn)，與其他的細菌轉錄因子所不同的是FleQ即可抑制pel的轉錄又可激活pel的轉錄。比如當FleN及c-di-GMP不存在時，F(xiàn)leQ可與pel的啟動子結合從而抑制pel的轉錄。但當FleQ與c-di-GMP或者FleN結合后，F(xiàn)leQ對pel的抑制作用也被解除，同時激活pel的轉錄[44，45]c-di-GMP與Pls之間是一種正反饋調節(jié)的關系，即當具有DGCs活性的蛋白刺激c-di-GMP的合成時，c-di-GMP又可促進Pls的合成，而合成的Pls反過來又作用于c-di-GMP。Irie等人發(fā)現(xiàn)，Pls可以通過調節(jié)兩種DGCs（SiaD和SadC）促使胞內c-di-GMP呈高濃度表達，高濃度的c-di-GMP又可促進Pls及其他生物膜成分的產生[46]。

目前對微菌落演變?yōu)榇缶涞臋C制知之甚少，可能是隨著時間的推移，微菌落繼續(xù)發(fā)展成為大菌落。另外生物膜的成熟或許也與基因組的調控有關，但不可否認的是胞外多糖在生物膜的成熟階段發(fā)揮著重要作用。Luyan M等人研究發(fā)現(xiàn)，在細菌的黏附階段，Pls分布在細菌的表面以促進細胞間的相互作用及胞外基質的形成，利于細菌在表面形成生物膜；在生物膜的成熟階段，Pls的分布具有差異性，即Pls主要積聚在生物膜的周圍，而中心區(qū)的Pls較少甚至沒有。但當生物膜分解時，浮游的細菌則會分布在Pls較少的中心區(qū)，這也表明Pls為細菌的再黏附提供了一定的條件[47]。

由生物膜引起的感染普遍存在，如：肺囊性纖維化、隱形眼鏡相關角膜炎、齲病、種植體周圍炎等。常規(guī)的抗生素藥物治療很難徹底清除生物膜，并且容易誘發(fā)細菌的耐藥性。研究發(fā)現(xiàn)生物膜中細菌的細胞耐藥性是浮游細菌細胞耐藥性的1000倍，這也與生物膜的胞外基質或者eDNA有關[48]。在生物膜中大量的胞外基質將細菌包繞，形成的狹窄空間使藥物難以穿透生物膜；并且生物膜中的細菌可通過群體感應系統(tǒng)感知環(huán)境變化，產生自體誘導因子傳遞信號，分泌毒力因子和細胞外基質等對抗環(huán)境作用，實現(xiàn)菌種內及菌種間的相互作用和協(xié)調，這些機制增加了生物膜對環(huán)境機制的抵抗性。c-di-GMP是細菌內廣泛存在的第二信使，目前我們已經知道在一些細菌體內c-di-GMP對生物膜的調控與其濃度有關，也已經證實許多調節(jié)c-di-GMP代謝的酶參與細菌黏附作用及生物膜的成熟。那么是否能通過調控細菌體內c-di-GMP的水平或者相關的代謝酶來破壞細菌生物膜，從根本上治療由細菌生物所引起的疾病還有待于進一步研究。