在腸道病原菌感染過程中炎性細胞因子合成釋放增加，有利於清除腸道感染。同時炎性細胞因子的上調能促進腸上皮細胞內一氧化氮合酶（inducible Nitric Oxide Synthase, iNOS）的表達上調。一氧化氮合酶催化L-精氨酸(L-Arginine)生成一氧化氮(Nitric Oxide)。一氧化氮分子在腸道二氧化碳的作用下與炎性條件下產生的過氧化物（superoxide）作用生成硝酸鹽分子（Nitrate）。2013年加州大學戴維斯分校Bumler團隊在Science上發表文章指出在感染過程中腸道病原菌能夠和腸道正常菌群競爭生長的一個重要原因是因為腸道病原菌能夠表達硝酸鹽還原酶(Nitrate Reductase)。硝酸鹽還原酶把炎症過程中宿主細胞產生的硝酸鹽還原成亞硝酸鹽，從而為病原菌在腸道厭氧環境下提供生長必須的能源。而腸道正常菌群一般不表達硝酸鹽還原酶因而在炎性腸道中在和病原菌競爭生長過程中處於劣勢。這也是病原菌能夠突破正常腸道菌群屏障而引進感染性疾病的一個重要原因。但是亞硝酸鹽作為信號分子在腸道病原菌感染過程中調控毒力基因的表達及其致病力的作用相對知之甚少。
近日，Nature Communications在線發表了來自美國康乃狄克大學周曉輝團隊的題為S-nitrosylation-mediated activation of a histidine kinase represses the type 3 secretion system and promotes virulence of an enteric pathogen研究論文，揭示了腸道病原菌-副溶血弧菌如何利用宿主在炎性過程產生的亞硝酸鹽作為信號分子調控其致炎因子表達的分子機制。
研究者們利用動物實驗發現在感染的早期階段副溶血弧菌的三型分泌系統（三型分泌系統是革蘭氏陰性菌的一個主要致病因子，能刺激宿主產生炎症反應）表達上調並刺激腸道上皮細胞合成和分泌炎性細胞因子（proinflammatory cytokines）。這些炎性細胞因子可激活腸上皮細胞一氧化氮合酶的表達。一氧化氮合酶催化L-精氨酸生成一氧化氮，一氧化氮迅速轉化為硝酸鹽（圖2）。副溶血弧菌利用其硝酸鹽還原酶將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。非常驚人的發現是亞硝酸鹽在這裡並不是如前所述的作為能量分子為副溶血弧菌提供能源從而獲得在和正常菌群競爭過程中的生長優勢。相反，亞硝酸鹽在這裡作為信號分子被副溶血弧菌的受體組氨酸激酶VbrK識別。研究者們在體外利用細胞和生物化學實驗發現亞硝酸鹽可以誘導VbrK發生亞硝基化（S-nitrosylation），亞硝基化的VbrK進一步導致其磷酸化從而被激活（圖2）。激活的VbrK將其磷酸基團進一步轉移給其下遊的調控因子VbrR。VbrR與三型分泌系統調控因子ExsC的啟動子結合，從而使三型分泌系統的基因表達下調。因為三型分泌系統能上調炎性細胞因子的表達，因而通過亞硝酸鹽使三型分泌系統基因表達下調可導致炎性細胞因子表達的下降。炎性細胞因子表達的下降可使副溶血弧菌逃避宿主的天然免疫從而增強其在腸道內的定植和致病能力（圖3）。
研究者們進一步通過蛋白質質譜研究發現VbrK蛋白第86位的半胱氨酸（cysteine）可以被亞硝酸鹽硝基化。當VbrK第86位的半胱氨酸被替換為絲氨酸(serine)後VbrK不被硝基化，也不能導致其進一步磷酸化激活。基於上述結果，研究者們用VbrK第86位被替換為絲氨酸的點突變體副溶血弧菌感染動物，結果發現感染過程中三型分泌系統基因表達大量上調，炎性細胞因子大量表達。大量表達的炎性細胞因子可以清除腸道內的病原菌因而在感染的後期細菌在腸道內的定植下降，致病能力也減弱（圖1）。這也解釋了之前團隊與哈佛大學Waldor課題組合作發現的三型分泌系統負調控子缺失可使副溶血弧菌定植能力下降的原因。
非常有意思的是團隊之前在PNAS發表的論文中顯示VbrK同時也是青黴素類抗生素的受體。青黴素等抗生素可使VbrK發生磷酸化並使其激活，從而使三型分泌系統基因表達下降。因此這也提供了使用抗生素可使腸道病原菌致病力提高的一種潛在的分子機制。團隊將在亞硝基化引起VbrK活化的分子機制以及聯合使用青黴素類抗生素對副溶血弧菌致病力影響等方面進一步深入研究。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19506-1
來源：BioArt