涂春田,汪洋,易力,王瑜欣,劉寶寶,宮勝龍
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信號分子調控細菌生物被膜形成的分子機制
涂春田1,汪洋1,易力2,王瑜欣1,劉寶寶1,宮勝龍1
1 河南科技大學 動物科技學院,洛陽市畜禽分子病原與免疫學重點實驗室,河南 洛陽 471003 2 洛陽師范學院 生命科學院,河南 洛陽 471022
涂春田, 汪洋, 易力, 等. 信號分子調控細菌生物被膜形成的分子機制.生物工程學報, 2019, 35(4): 558–566.Tu CT, Wang Y, Yi L, et al. Roles of signaling molecules in biofilm formation. Chin J Biotech, 2019, 35(4): 558–566.
細菌生物被膜 (Bacterial biofilm,BF) 是黏附于機體黏膜或生物材料表面、由細菌及其分泌的多聚糖、蛋白質和核酸等組成的被膜狀生物群體,是造成持續(xù)性感染的重要原因之一。細菌在生長繁殖時會產生一些次級代謝產物,部分會作為生物信號分子在細胞內或細胞間傳遞信息,使細菌在多細胞水平協(xié)調統(tǒng)一相互配合,以完成一些重要的生理學功能,如生物發(fā)光、BF的形成、運動與固定態(tài)生活方式的轉換等。信號分子在BF形成過程中起著重要的調控作用。文中從密度感應系統(tǒng) (Quorum-sensing systems,QS)、環(huán)二鳥苷酸(Cyclic diguanylate,c-di-GMP)、雙組分系統(tǒng) (Two-component systems,TCS) 和sRNA等方面介紹影響B(tài)F形成的相關信號分子,重點對BF形成過程中的信號分子調控機制進行概述,這對于深入揭示信號分子調控BF形成的機制十分必要。
生物被膜,信號分子,密度感應系統(tǒng),sRNA,c-di-GMP
生物被膜 (Bacterial biofilm,BF) 是指黏附于機體黏膜或生物材料表面、由細菌分泌的胞外聚合物 (EPS) 組成的基質包裹菌體形成的被膜狀生物群體[1]。EPS主要是由細菌自發(fā)產生,由多糖、蛋白質、脂質、細胞外DNA (eDNA) 和生物表面活性劑組成。據報道,自然界中任何成熟的細菌均可形成BF,成熟BF可以是同種或不同種細菌共同形成的。細菌BF狀態(tài)被認為是一種細菌適應不良環(huán)境而形成的保護模式。已經證明,與浮游細胞相比,生活在BF內的細菌抵抗抗生素和免疫系統(tǒng)的能力更強[2-3],這加強了人們對這種細菌生命形式的關注。研究發(fā)現(xiàn),BF能增強細菌的耐受性有諸多原因,主要包括細菌在BF內緩慢生長和由各種生物聚合物組成的細胞外基質的存在。BF與其周圍基質的形成和被膜內細菌增殖受到許多因素的影響,包括參與BF生命周期的不同階段的多個復雜的調節(jié)系統(tǒng)。
信號分子是細菌在代謝過程中自主產生的代謝產物,它不僅能在胞內調控細菌個體的生命活動,還能分泌到胞外調節(jié)細胞間的生命活動,BF的形成已被證實受多種信號分子的調控[4]。近年來,有關細菌BF的形成過程和結構成分的研究已有報道,但就信號分子與細菌BF形成的關系卻報道較少,而揭示二者之間的關系會為解決病原菌的持續(xù)性感染提供一個全新的思路。本文概述了4個調控系統(tǒng)QS、c-di-GMP、雙組分系統(tǒng)和sRNA,重點闡述了相關信號分子與BF形成的關系 (圖1表示QS、c-di-GMP、雙組分系統(tǒng)和sRNA對BF的調控機制),以期尋找出合適的能抑制BF相關信號分子傳遞的抑制劑。
20世紀70年代,Hasting等[6]通過對海洋魚類共生細菌費氏弧菌和哈維氏弧菌的發(fā)光機制的研究,揭示了細菌與細菌間是存在信息交流的。這種細菌通過自身產生的信號分子進行交流和協(xié)調群體行為的過程稱為密度感應。至今已經發(fā)現(xiàn)多種介導密度感應有關的信號分子,如N-?;呓z氨酸內酯(N-Acyl homoserine lactones,AHL)、自誘導多肽(Autoinducing peptide,AIP)、自誘導分子Ⅱ (Autoinducer-2,AI-2) 和擴散性信號分子(Diffusible signal factor,DSF) 等,本文以AIP、AHL和AI-2這3種研究比較廣泛的QS信號分子為例,闡述其調控BF形成的相關機制。
AIP是革蘭陽性菌中的寡肽類自誘導信號分子,是參與細菌種內信息交流的QS信息分子。目前對于革蘭陽性菌AIP信號分子的研究較多的是葡萄球菌,其調控基因是附屬基因調節(jié)子 (Accessory gene regulator,agr),能產生和感應的信號分子為自誘導物 (AIP)。agr是由RNA Ⅱ和RNA Ⅲ兩個轉錄單元組成,其啟動子分別是P2和P3,RNA Ⅱ的轉錄框包括、、和4個基因的agr操縱子,RNA Ⅲ的轉錄框是agr系統(tǒng)的效應分子,編碼α-溶血素和δ-毒素等毒力因子。和產物參與AIP的產生;和基因編碼的蛋白質形成一個雙組分系統(tǒng) (Two component system,TCS),AgrC是雙組分系統(tǒng)的感應激酶,能結合AIP,并磷酸化激活AgrA,激活的AgrA與P2和P3結合從而誘導RNA Ⅱ和RNA Ⅲ的轉錄。同時,活化的agr可進一步增強AIP 的表達,對agr的自激活機制起到信號放大的作用。
大量研究表明,agr介導的群體密度感應系統(tǒng)對葡萄球菌BF的形成有著極其重要的影響,具有上調細胞與BF分離、下調BF初始黏附的作用。agr可上調酚溶解性調理素(Phenol-soluble modulins,PSMs) 和蛋白酶的表達,從而促進后期細胞與BF的分離[7]。研究浮游態(tài)金黃色葡萄球菌和BF狀態(tài)下金黃色葡萄球菌agr活性發(fā)現(xiàn),浮游態(tài)的細菌表現(xiàn)出高水平的agr活性,而BF中的細胞主要抑制agr系統(tǒng),這表明agr系統(tǒng)參與了BF的脫落[8]。agr還可以通過下調如自溶血素E (Autolysin E,AtIE) 等與BF初期形成有關的粘附分子的形成從而調控BF,Dai等[9]通過對野生表皮葡萄球菌與agr突變株形成BF能力對比發(fā)現(xiàn),agr突變株形成更厚的BF,而agr和AtIE雙突變菌株BF形成功能嚴重受損,在agr突變株中,AtlE 表達量增加,而在agr與AtlE雙突變株中幾乎沒有AtlE表達。由此表明,agr突變株通過增加AtIE 的產生量,從而加強細菌的初始黏附功能,使BF形成能力增強。
由信號分子AHL介導的QS系統(tǒng),是革蘭陰性菌種內通訊語言,它在生物體內調節(jié)多種生理功能,如毒力因子的產生和BF的形成。革蘭陰性菌中的QS系統(tǒng)被稱為LuxI/LuxR型自誘導系統(tǒng),其信號分子是AHL。在LuxI/LuxR調控網絡中,LuxI型蛋白是負責產生AHL分子的酶,而LuxR型蛋白是負責接收AHL分子的受體。
AHL分子的碳鏈長度不同,短鏈分子 (4–8個碳原子) 可以通過自由擴散進出細胞,長鏈分子 (10–12個碳原子) 需要主動運輸通過細胞膜。AHL通過細胞膜擴散到細菌周圍并富集到特定密度后,AHL分子會重新進入細胞結合到LuxR受體蛋白上,激活LuxR蛋白并形成R-AHL復合體,隨后R-AHL復合體與目的激活子相互作用誘導目的基因表達,如合成胞外多糖、毒力因子及藻酸鹽等。銅綠假單胞菌野生株形成的BF高度結構化、較厚,但臨床分離獲得的不產生AHL信號分子的突變株則不能形成成熟的BF[10]。研究發(fā)現(xiàn),銅綠假單胞菌PA01 突變株 (不能產生AHL) 形成的BF扁平、均質,人工添加AHL信號分子后,又能形成與野生型菌株相同的有結構的、異質化的BF[11],這證實了AHL在銅綠假單胞菌BF的形成過程中具有重要作用。大多數(shù)革蘭陰性菌如熒光假單胞菌、嗜水氣單胞菌等都使用LuxI/LuxR型自誘導系統(tǒng),沙門菌屬、埃希菌屬和克雷伯桿菌屬在革蘭陰性菌中是例外,因為它們的LuxI/LuxR型自體誘導系統(tǒng)不完善[12-13],這些屬的細菌不具有LuxI家族或其他AHL合酶,然而,它們有LuxR家族蛋白質,可以感知某些AHL分子,從而被調控。
由LuxS/AI-2介導的群體感應系統(tǒng)廣泛存在于革蘭陽性菌和革蘭陰性菌中,其信號分子AI-2被認為是種間通用信號分子[14]。AI-2的合成需要基因編碼的LuxS蛋白酶的催化作用,細菌產生的AI-2分泌到細胞外環(huán)境,隨著細胞的分裂增殖,胞外的AI-2的濃度也會不斷增加,當AI-2濃度達到閾值后細菌通過感應周圍AI-2信號分子的濃度而對其周圍細菌進行“計數(shù)”,并會通過一系列的調控系統(tǒng)調控與QS相關的基因的表達,如BF的形成和毒力因子等基因的表達[14]。
本課題組一直致力于豬鏈球菌 (,SS) LuxS/AI-2 QS系統(tǒng)的研究,利用同源重組原理構建了豬鏈球菌2型基因缺失株、互補株和過表達株,研究發(fā)現(xiàn)缺失株不能產生AI-2信號分子[15],而過表達菌株AI-2信號分子產生量也并未增加,缺失基因對SS的BF的形成產生了顯著的影響,過表達菌株形成生物被膜的能力有一定增強,并隨培養(yǎng)時間增加而增加[16]。外源添加0–2 μmol/L的AI-2分子能夠顯著增加SS生物被膜的形成,而添加2–15 μmol/L的AI-2分子后生物被膜的形成能力受到抑制,外源添加AI-2分子能顯著提高缺失株的生物被膜形成能力[17]。研究發(fā)現(xiàn)SS隨細菌密度的增加胞外AI-2信號分子的濃度也在不斷增加,并在對數(shù)生長末期達到最大,穩(wěn)定期和衰亡期迅速減少,這說明SS能將胞外AI-2運至胞內,細胞內存在AI-2的攝取機制和與之結合的受體蛋白。添加不同濃度AI-2分子可以顯著提高毒力基因、和的表達,而、和基因表達卻有一定下調[17]。AI-2信號分子可能通過與受體蛋白結合來調控相關基因的表達而影響B(tài)F的形成。課題組解析了豬鏈球菌LuxS蛋白晶體的三維晶體結構,發(fā)現(xiàn)位于底物結位點附近80位和87位氨基酸發(fā)生了可能的進化突變,通過定點突變發(fā)現(xiàn)2個氨基酸的突變對其底物結合和酶的催化能力有較大影響,并影響豬鏈球菌AI-2的產生和BF的形成能力[18]。
小分子核苷酸c-di-GMP是細菌中普遍存在的第二信使,它在BF的形成和運動的切換之中作為胞內的信號分子而起著重要作用,近年來在生物界引起了廣泛的關注。研究發(fā)現(xiàn),它是通過改變病原體的生活方式,從而提高病原體的生存潛力。病原菌生活方式的轉換受c-di-GMP在細胞內的濃度調控,低水平的c-di-GMP能促進細胞運動基因的表達,高水平c-di-GMP表現(xiàn)出促進細胞粘附因子的產生和胞外基質組分的增加,使細菌更易粘附在細胞或生物材料表面,有利于BF的形成[19]。c-di-GMP在細胞內的濃度受兩種酶的調節(jié):鳥苷酸環(huán)化酶 (DGCs),含GGDEF結構域由兩分子GTP合成c-di-GMP;磷酸二酯酶 (PDEs),含一個EAL或HD-GYP結構域,可降解c-d-GMP,具有EAL結構域的磷酸二酯酶將c-di-GMP降解為線性的二核苷酸pGpG,HD-GYP結構域催化c-di-GMP降解為兩分子的GMP分子。此外,還鑒定出了多種同時含有GGDEF和EAL結構域的蛋白質能同時調控c-di-GMP的合成和降解[20]。c-di-GMP調控BF形成中的重要作用是通過調控一些生物因子例如Psl、Pel、藻酸鹽胞外多糖、表面粘附素CdrA和Ⅳ型菌毛的合成來實現(xiàn)的。許多研究表明,c-di-GMP在細胞內濃度的變化往往伴隨著BF形成的變化[21]。
銅綠假單胞菌是研究BF的模型生物。研究表明,c-di-GMP能促進銅綠假單胞菌中的多種粘附素的產生。如Ⅳ型菌毛的合成依賴于具有c-di-GMP結合域的蛋白質PilZ和FimX的調控,此外,杯狀菌毛的合成也受到c-di-GMP的調節(jié)[22]。CupA的表達依賴于具有GGDEF或c-di-GMP結構域的蛋白質WspR、MorA和PA1120[23]。PDE RocR被證明參與了CupB和CupC菌毛的合成,PDE PvrR參與了CupD菌毛的合成[24-25]。此外,CupA已被證明參與SDS誘導的自動聚集,這取決于由SiaD DGC介導的c-di-GMP在細胞內增長的水平。此外,表面蛋白CdrA已被證明能使綠膿桿菌細胞結合在Psl多糖上,c-di-GMP在轉錄水平正調控表面蛋白CdrA的產生。
研究發(fā)現(xiàn),c-di-GMP還能促進多糖基因的轉錄[26]。當RsmA不被sRNA RsmY和RsmZ屏蔽時,發(fā)現(xiàn)的表達通過RsmA蛋白與mRNA的結合而在轉錄后水平被調節(jié)。Irie等報道Psl多糖能通過SiaD和SadC DGCs刺激c-di-GMP的合成[27],c-di-GMP濃度的升高會促進Psl多糖的合成和BF基質中其他組分產量的增加。胞外多糖可以通過特異性的正反饋調節(jié)通路促進BF的形成,這可能對浮游細菌吸附在現(xiàn)有的BF上起到一定的作用。藻酸鹽是粘液型銅綠假單胞菌分泌的細胞外多糖和主要粘附因子,是組成BF的重要成分,c-di-GMP能夠與作為藻酸鹽合酶一部分的膜錨定蛋白Alg44的結構域PilZ相結合,從而正調控藻酸鹽的產生。Pel多糖的合成在轉錄和翻譯后水平都受到c-di-GMP的調節(jié),對銅綠假單胞菌野生型菌株及突變體 (具有升高c-di-GMP水平的能力) 進行的微陣列分析表明在突變體中基因的轉錄水平增加。此外,還發(fā)現(xiàn)c-di-GMP與轉錄調節(jié)物FleQ結合,從而誘導基因的轉錄[28]。Pel多糖合成在翻譯后水平通過c-di-GMP與PelD蛋白的結合而被激活[29]。
大量研究表明,c-di-GMP參與將急性感染轉變?yōu)槌掷m(xù)性感染[4,30],與持續(xù)性感染相關的粘液表型在一定程度上受到c-di-GMP的調節(jié),且高濃度的c-di-GMP可將細菌分泌系統(tǒng)從T3切換到T6,c-di-GMP的這些功能均對BF的形成具有調節(jié)作用。
雙組分系統(tǒng) (TCS) 是QS系統(tǒng)的核心部分,TCS參與調控細菌的多種重要生物學功能,包括與宿主的識別、細菌生長和營養(yǎng)代謝、毒力因子的表達、致病性及耐藥性等[31]。TCS由兩個部分組成:位于內膜中的組氨酸激酶 (Histidine protein kinases,HPK) 即“受體”和位于細胞質中的調節(jié)蛋白(Regulatory protein,RR) 即“調控子”。HPK能感受胞外生物信號和環(huán)境條件的刺激并發(fā)生磷酸化,之后將磷酸基團轉移給其耦聯(lián)的RR保守的天冬氨酸殘基上,磷酸化使RR被激活,激活后的RR可以結合在受調控基因的啟動子上,進而調控基因的表達。
在銅綠假單胞菌中,目前已經鑒定出60多種雙組分系統(tǒng),其中Gac系統(tǒng)的研究是最深入的,它最初在丁香假單胞菌中被發(fā)現(xiàn),由跨膜傳感器激酶GacS (HPK)和其偶聯(lián)調節(jié)物GacA (RR) 組成,GasS具有一個自動磷酸化的保守組氨酸殘基,被激活后的磷酸基團能轉移到其偶聯(lián)調節(jié)物GacA上,影響RsmZ和RsmY兩個sRNA的轉錄[32]。這兩個sRNA能結合在CsrA同源物RsmA上,從而影響RsmA蛋白的功能。RsmA是一個全局性的轉錄調控蛋白,可抑制QS、胞外產物和運動等不同靶基因的表達從而影響B(tài)F的形成[33]。最近在銅綠假單胞菌中又鑒定出了一個CsrA同系物RsmF,RsmF (也稱為RsmN) 是一種與mRNA結合的蛋白,與RsmA有多個共同的結合靶標,包括RsmY和RsmZ。然而與RsmA相比,RsmF與這些sRNA的結合親和力明顯較低。另一方面,RsmF不能結合pslA顯示出了與RsmA的不同結合特性[34]。
SagS/BfiS是GacS調控網路的一個分支。SagS是細菌浮游態(tài)和生物被膜態(tài)的一個開關,并且是可以磷酸化的磷酸激酶。SagS通過不同調節(jié)途徑調控RsmY和RsmZ,其對RsmY的調節(jié)依賴于一種組氨酸磷酸轉移蛋白HptB[35],而其對RsmZ的調節(jié)是依賴于HptB與另一個磷酸激酶BfiS的相互作用。BfiS是生物被膜形成過程中細胞向不可逆附著過渡所必需的。BfiS、BfiR的同源RR可激活CafA (RNase G) 的表達,CafA可以降低RsmZ的表達水平,而RsmZ的表達水平的降低是生物被膜成熟和維持所必需的[36]。當然,RsmY和RsmZ水平也受到其他調節(jié)因子的影響,例如Anr/NarL,它能在低氧條件下下調這兩種sRNA,而β-內酰胺酶調節(jié)劑AmpR,可以上調RsmZ[37-38]。在細菌中這些sRNA的轉錄水平由多個交叉調節(jié)系統(tǒng)緊密調控,以調控細菌從浮游態(tài)生長模式到生物被膜生長模式的轉變。
除傳感器激酶GacS外,最近又發(fā)現(xiàn)了兩種傳感器激酶RetS (調節(jié)胞外多糖和Ⅲ型分泌系統(tǒng)) 和LadS (降低細菌粘附能力) 是通過GacA調節(jié)基因表達進而影響B(tài)F的形成。在探索RetS對GacS/A的影響中,其實是通過在RetS和GacS之間形成異二聚體,進而導致GacS的自磷酸化被阻斷,表明RetS是GacS的拮抗劑[39]。LadS通過GacA激活RsmY和RsmZ而具有與RetS相反的功能[40-41],這表明LadS有助于BF的形成。最近研究報道了一種新的與RsmA結合的RsmY/RsmZ型sRNA,被稱為RsmW,研究發(fā)現(xiàn)它不受GacA調控,與rsmY和rsmZ表達相反,并發(fā)現(xiàn)它的表達上調會促進BF的形成[42]。
Gac系統(tǒng)除了通過調節(jié)QS影響B(tài)F的形成外,通過體外研究發(fā)現(xiàn)它還通過調節(jié)胞外多糖Pel、Psl和Ⅳ型菌毛,參與細菌浮游態(tài)與BF生長模式之間的轉換。Gac系統(tǒng)被認為通過RsmA來調節(jié)與type-Ⅲ和type-Ⅳ分泌系統(tǒng)(T3SS和T6SS) 相關的基因的表達,在急性和持續(xù)性感染之間起轉換作用[26]。體外研究表明,急性感染通常與T3SS產生高毒力因子有關,而與BF有關的持續(xù)性感染則表現(xiàn)出較弱的T6SS表達[43]。通過對突變體的研究,得出這一轉變是由兩個傳感器RetS和LadS來促成的。和的突變體表現(xiàn)出相似的表型,胞外多糖產生增多,BF增多,T3SS的表達減少,以及Ⅳ型菌毛活力降低[44]。與此相反,突變體表現(xiàn)出T3SS的表達增強BF形成量降低。近年來,盡管對Gac系統(tǒng)進行了深入研究,但是由傳感器激酶GacS、LadS和RetS檢測到的觸發(fā)磷酸化反應的信號仍未鑒定出來,尋找出傳感器激酶的激活劑是絕大多數(shù)雙組分系統(tǒng)尚未解決的問題[45]。然而,尋找傳感器激酶的激活劑有其重要意義,因為可以通過它們來控制傳感器激酶的激活與否,從而調控細菌的行為,這對于細菌感染的治療是非常有用的。
總之,Gac調控網絡是一種復雜的多激酶網絡,在調控細菌浮游態(tài)生長模式和生物被膜生長模式之間起主要作用。調控網絡的復雜性和大量不同的傳感器是整合大量信號分子并作出最適合細菌生存指令所必需的。
信號分子可以在細菌生長的特定環(huán)境中調節(jié)其生命活動,與BF相關的信號分子能使細菌對周圍其他細菌的存在作出反應,進而調整自身的生命活動。在過去十年中,有關信號分子調控致病菌BF形成機制的研究已取得顯著進步,但尋找信號分子識別的受體仍然是信號轉導研究的瓶頸。而且生物被膜的形成是由QS、c-di-GMP和雙組分系統(tǒng)等共同調節(jié),有意思的是這3個系統(tǒng)彼此之間存在著一些相同功能,如上文所述高水平c-di-GMP和Gac系統(tǒng)的激活均能誘導生物被膜形成和持續(xù)性感染,這種特性增加了尋找這些信號分子受體蛋白的難度,也使得生物被膜形成網絡更加復雜。因此,充分了解參與形成復雜聚合物的細胞間信號轉導過程是一項艱巨的挑戰(zhàn)。但是換言之,與QS、TCS和c-di-GMP相關的信號分子均可以作為細菌生物被膜的研究靶標。通過發(fā)掘QS、c-di-GMP和TCS對生物被膜形成的機制,將為尋找新的靶點作用藥物奠定基礎,通過干擾生物被膜形成的某個環(huán)節(jié),將有望產生有效的抗感染治療方法,為徹底治療臨床難治的持續(xù)性感染帶來新希望。
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Roles of signaling molecules in biofilm formation
Chuntian Tu1, Yang Wang1, Li Yi2, Yuxin Wang1, Baobao Liu1, and Shenglong Gong1
1 Key Laboratory of Molecular Pathogen and Immunology of Animal of Luoyang, College of Animal Science and Technology, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan, China 2 College of Life Sciences, Luoyang Normal University, Luoyang 471022, Henan, China
Bacterial biofilm refers to a tunicate-like biological group composed of polysaccharide, protein and nucleic acid secreted by bacteria on the surface of the mucous membrane or biological material. The biofilm formation is a major cause of chronic infections. Bacteria could produce some secondary metabolites during the growth and reproduction. Some of them act as signaling molecules allowing bacteria to communicate and regulate many important physiological behaviors at multiple-cell level, such as bioluminescence, biofilm formation, motility and lifestyles. Usually, these signal molecules play an important role in the formation of bacterial biofilm. We review here the effects of related signal molecules of Quorum Sensing, cyclic diguanylate, Two-Component Systems and sRNA on the biofilm formation. Focusing on these regulation mechanism of signal molecules in the process of biofilm formation is necessary for the prevention and treatment of some chronic diseases.
biofilm, signaling molecules, quorum sensing, sRNA, c-di-GMP
10.13345/j.cjb.180326
August 10, 2018;
January 28, 2019
National Key Research and Development Program of China (No. 2018YFD0500100), National Natural Science Foundation of China (Nos. 31772761, 31540095), Science and Technology Development Project of Henan Province (Nos. 182300410047, 162300410067).
Yang Wang. Tel: +86-379-64282431; E-mail: wangyocean@163.com
國家十三五重點研發(fā)項目(No. 2018YFD0500100),國家自然科學基金(Nos. 31772761,31540095),河南省自然科學基金(Nos. 182300410047,162300410067) 資助。
(本文責編 郝麗芳)