沈錫輝組發現原核生物跨種屬對話新機制

2021-01-13 中國生物技術網

群體感應(quorum sensing，QS)是細菌細胞間信號傳導的普遍機制，通過合成和分泌稱為自誘導物(autoinducer)的信號分子監測細菌群體密度的變化，使其能在複雜的環境中通過協調基因表達，使細菌個體能在感染、抗逆等過程中一致行動，以團隊作戰方式獲得生存優勢【1-3】。不同種的細菌間能通過一類稱為autoinducer-2(AI-2)的群體感應信號分子進行交流，這種信號分子廣泛存在於革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細菌中，是目前所知的唯一既能進行種內交流，又能進行種間交流的細菌通用語言【3-5】，但僅在少數細菌中發現了兩類AI-2感應受體：LuxP型受體僅在弧菌中發現（識別含硼的AI-2構象S-THMF-borate) 【6】，而LsrB型受體在大腸桿菌、沙門氏菌等腸道菌以及根瘤菌科、芽胞桿菌科和梭菌科的少數種中發現(識別不含硼的AI-2構象R-THMF) 【7】。因此，雖然AI-2作為細菌種間交流語言的功能被廣泛關注，甚至被稱為「細菌的世界語(Bacterial esperanto)」【8】，但對大多數細菌如何感知這一信號知之甚少。

2020年 10月 23日，Nature Communications在線發表了西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室沈錫輝教授團隊完成的題為「Sensing of autoinducer-2 by functionally distinct receptors in prokaryotes」的文章，揭示了原核生物(包括細菌和古菌)通過一類功能多樣的跨膜信號轉導蛋白感知通用型群體感應信號分子AI-2實現異種細胞間對話的新機制。

該研究首先發現條件性致病菌銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)對AI-2信號表現出明顯的正趨向性，隨後以此表型入手構建趨化蛋白編碼基因突變體文庫並篩選獲得介導AI-2趨向性的兩個跨膜甲基化趨化受體基因pctA和tlpQ 。分子互作分析進一步發現AI-2信號能以高親和力結合受體蛋白PctA和TlpQ的周質dCACHE結構域。質譜(LC-MS/MS)定量分析也顯示在甲基轉移酶CheR1對PctA胞內信號傳遞區進行甲基化修飾時，AI-2信號的添加能夠增強PctA的381位穀氨酸殘基的甲基化水平。在限硼條件下通過體外酶促反應合成AI-2，並比較限硼和加硼兩種條件下AI-2與PctA和TlpQ的dCACHE結構域相互作用的親和力差異，發現在富含硼的環境下配體與蛋白結構域的親和力顯著降低，推測dCACHE結構域結合不含硼的AI-2構象，分子對接模擬進一步證實PctA和TlpQ的dCACHE結構域結合不含硼的AI-2構象R-THMF(圖1）。

圖1. PctA的dCACHE結構域結合不含硼的AI-2構象

dCACHE結構域是細菌中分布廣泛的胞外傳感器，在包括甲基化趨化受體、組氨酸激酶、c-di-GMP合成與水解酶、絲氨酸磷酸酶、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶、腺苷酸/鳥苷酸環化酶等幾乎所有主要類型的原核生物跨膜信號轉導蛋白中，均可發現該結構域的存在。研究人員利用PctA的dCACHE結構域序列通過HHpred工具搜索PDB資料庫，發現19個與其結構高度相似的細菌dCACHE結構域。隨機挑選其中的2個甲基化趨化受體，2個組氨酸激酶和2個c-di-GMP合成酶的dCACHE結構域進行表達純化並檢測其與AI-2的結合能力，發現枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)的組氨酸激酶KinD和沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)的c-di-GMP合成酶rpHK1S-Z16的該結構域能夠以高親和力結合AI-2。體外酶活分析進一步確認AI-2能夠通過周質dCACHE結構域調控KinD的激酶活性以及rpHK1S-Z16的c-di-GMP合成酶活性。

dCACHE結構域細分為4個亞家族【9】，而PctA、TlpQ、KinD和rpHK1S-Z16的胞外傳感器結構域均屬於dCache_1亞家族。研究人員從Pfam(version 32.0)資料庫中下載獲得18970個dCache_1結構域序列 (這些序列絕大多數來自細菌信號轉導蛋白，還有少數來自古菌蛋白和真核蛋白)，對其進行序列多重比對後發現PctA的dCache_1結構域配體結合口袋中的5個關鍵殘基R126、W128、Y144、D146和D173在dCache_1結構域序列中廣泛存在且具有很高的保守性。進一步分析發現來自細菌和古菌的1535個dCache_1結構域含有所有5個保守殘基 。從中隨機挑選17個來自細菌信號轉導蛋白和2個來自古菌信號轉導蛋白的dCache_1結構域檢測發現這些結構域都能與AI-2發生特異性結合，暗示這1535個含5個保守位點的dCache_1結構域都是AI-2信號的潛在受體。

細菌和古菌是單細胞生物，在自然環境和宿主體內它們往往雜居在一起，彼此間互相交流，表現出分工合作或相互欺詐等社會行為【3】。因此，了解它們的交流語言和交流方式無論在醫學還是生態環境領域均具有非常重要的意義。AI-2作為細菌中分布最廣泛的一類種間交流的通用語言，其dCACHE型新受體的發現極大擴展了人們對原核生物跨種屬對話機制的認識。

據悉，西北農林科技大學張磊副教授和博士生李書宇為本論文共同第一作者，沈錫輝教授、羅招慶教授（美國普渡大學）和張磊副教授為本論文的共同通訊作者。此外，武漢大學範成鵬副教授也參與了本論文的研究。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19243-5.pdf

參考文獻：

1. Papenfort, K. & Bassler, B. L. Quorum sensing signal-response systems in Gram-negative bacteria.Nat. Rev. Microbiol. 14, 576–588 (2016).

2. Whiteley, M., Diggle, S. P. & Greenberg, E. P. Progress in and promise of bacterial quorum sensing research.Nature551, 313–320 (2017).

3. Pereira, C. S., Thompson, J. A. & Xavier, K. B. AI-2-mediated signalling in bacteria.FEMS Microbiol. Rev. 37, 156–181 (2013).

4. Neiditch, M. B., Federle, M. J., Miller, S. T., Bassler, B. L. & Hughson, F. M. Regulation of LuxPQ receptor activity by the quorum-sensing signal autoinducer-2.Mol. Cell18, 507–518 (2005).

5. Xavier, K. B. & Bassler, B. L. Interference with AI-2-mediated bacterial cell–cell communication.Nature 437, 750–753 (2005).

6. Chen, X. et al. Structural identification of a bacterial quorum-sensing signal containing boron.Nature415, 545–549 (2002).

7. Miller, S. T. et al. Salmonella typhimurium recognizes a chemically distinct form of the bacterial quorum-sensing signal AI-2.Mol. Cell15, 677–687 (2004).

8. Winans, S. C. Bacterial esperanto.Nat. Struct. Biol.9, 83–84 (2002).

9. Upadhyay, A. A., Fleetwood, A. D., Adebali, O., Finn, R. D. & Zhulin, I. B. Cache domains that are homologous to, but different from PAS domains comprise the largest superfamily of extracellular sensors in prokaryotes.PLoS Comput. Biol. 12, e1004862 (2016).

來源：B

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