變異鏈球菌毒力相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的研究進(jìn)展

李藍(lán) 張博文 李繼遙

1.口腔疾病研究國家重點實驗室 華西口腔醫(yī)院牙體牙髓病科（四川大學(xué)）；2.頭頸腫瘤外科，成都 610041

·綜述·

變異鏈球菌毒力相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的研究進(jìn)展

李藍(lán)1張博文2李繼遙1

1.口腔疾病研究國家重點實驗室 華西口腔醫(yī)院牙體牙髓病科（四川大學(xué)）；2.頭頸腫瘤外科，成都 610041

研究發(fā)現(xiàn)眾多轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子參與調(diào)節(jié)變異鏈球菌耐酸性等關(guān)鍵致齲毒力因子的表達(dá)，雖然仍有許多轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的作用靶點和調(diào)控機(jī)制尚不明確，但已有學(xué)者針對變異鏈球菌個別宏觀轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子進(jìn)行單基因突變研究。本文就已發(fā)現(xiàn)的影響變異鏈球菌致齲毒力因子表達(dá)的調(diào)節(jié)因子及其功能和可能的作用機(jī)制進(jìn)行綜述。

變異鏈球菌； 致齲毒力； 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子

變異鏈球菌（Streptococcus mutans，S. mutans）是口腔天然菌群中占比例最大的鏈球菌屬之一，與人類齲病關(guān)系最為密切。變異鏈球菌的產(chǎn)酸、耐酸、黏附能力、合成細(xì)胞內(nèi)外多糖和形成生物膜的能力是其經(jīng)典毒力表型[1-2]。變異鏈球菌轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子是具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)活性的基因產(chǎn)物，在變異鏈球菌外界環(huán)境脅迫應(yīng)答相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控過程中發(fā)揮重要作用[3]，可在轉(zhuǎn)錄水平直接影響變異鏈球菌相關(guān)基因編碼產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)的濃度。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來學(xué)者[4-6]針對變異鏈球菌個別宏觀轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子進(jìn)行單基因突變研究，已先后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子與變異鏈球菌的耐酸及生物膜形成能力間存在密切聯(lián)系。本文就近年來對變異鏈球菌毒力相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的研究進(jìn)展作一綜述。

1 雙組分信號傳導(dǎo)系統(tǒng)（two-component signal transduction systenms，TCSTS）

TCSTS通常由一個具備跨膜結(jié)構(gòu)域的組氨酸蛋白激酶（histidine kinase，HK）及與其同源的胞內(nèi)具備轉(zhuǎn)錄因子活性的反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白（response regulator，RR）組成，TCSTS廣泛分布于原核生物基因組。HK用N末端的信號感知結(jié)構(gòu)域，感知外界信號變化后，將信號傳遞到C端，位于C端上保守的組氨酸（His）殘基發(fā)生磷酸化，后將磷酸基團(tuán)傳遞給RR的N端上保守的天冬氨酸（Asp）殘基。發(fā)生磷酸化的RR其空間構(gòu)象發(fā)生變化，激活C端的DNA-Binding活性[7]。因此RR作為轉(zhuǎn)錄因子一方面調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，另一方面影響某些蛋白的合成。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)變異鏈球菌的基因組中含有14對完整TCSTS[8-10]和1個缺失同源HK的反應(yīng)調(diào)節(jié)因子的基因CovR[11]。其中VicRK[8]、CiaHR[9]、LiaRS[9]、Spa-KR[12]、ScnRK[10]和GcrR[11]等參與了調(diào)控變異鏈球菌的耐酸反應(yīng)，個別TCSTS還參與了對變異鏈球菌生物膜形成能力的調(diào)控。

1.1 VicRKX

VicRKX由vicRKX基因編碼，主體由蛋白激酶VicK、反應(yīng)調(diào)節(jié)因子VicR及下游金屬依賴性水解酶VicX組成。其調(diào)控作用包括：耐酸性、生物膜形成、遺傳感受態(tài)、氧化應(yīng)激等[13-14]。Shemesh等[15]發(fā)現(xiàn)，vicRKX基因表達(dá)不受碳源影響。最近Tremblay等[16]發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌指數(shù)生長中后期由于細(xì)胞分裂旺盛，肽聚糖合成量高，此時VicRKX表達(dá)量最大；他還證實了作用于細(xì)胞膜的抗生素如萬古霉素、多黏菌素能誘導(dǎo)VicRKX表達(dá)，從而推測VicRKX可能參與細(xì)菌細(xì)胞膜感受外界壓力的過程。VicRKX調(diào)控細(xì)菌的眾多生理性能，由此研究者們推測VicRKX與其他信號系統(tǒng)的“串話”作用，最近已證實VicRKX與LiaFSR系統(tǒng)存在“串話”[16]。

1.2 LiaFSR

LiaFSR由蛋白激酶LiaS（HK11）、反應(yīng)調(diào)節(jié)因子LiaR（RR11）組成。其調(diào)控作用包括生物膜形成[17]、細(xì)胞膜壓力的監(jiān)控與應(yīng)答[18]、耐酸性[17-19]。在外環(huán)境壓力誘導(dǎo)下，LiaS將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給LiaR，LiaR活化后可促進(jìn)vicRKX基因表達(dá)[16]。Suntharalingam等[18]研究表明，僅在外界無誘導(dǎo)的環(huán)境下，LiaF調(diào)節(jié)因子可介導(dǎo)liaSR基因表達(dá)受抑，同時介導(dǎo)下游的spxA基因和SMu1727基因表達(dá)受抑，而這兩個基因產(chǎn)物在維持細(xì)胞膜完整性上有重要作用。并推測spxA基因和SMu1727基因表達(dá)受抑的機(jī)制：一是LiaF調(diào)節(jié)因子直接結(jié)合liaSR基因的啟動子區(qū)域，由此抑制liaSR基因轉(zhuǎn)錄，使下游的spxA基因和SMu1727基因沉默[18]；另一個是通過LiaS脫磷酸作用，在轉(zhuǎn)錄后水平使LiaR失活[16]。

1.3 CiaRH

變異鏈球菌通過胍丁胺脫亞氨酶系統(tǒng)（agmatinedeiminase system，AgDs），分解外環(huán)境的胍丁胺產(chǎn)生氨、二氧化碳、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），氨能中和細(xì)菌代謝過程中產(chǎn)生的酸，增強(qiáng)自身在低pH環(huán)境中的耐酸能力[20]，而AgD合成受CiaRH等調(diào)控。除耐酸性，CiaRH還參與變異鏈球菌蔗糖依賴性黏附、生物膜形成、攝取外源DNA、細(xì)菌素產(chǎn)生[9,21-22]等。He等[23]發(fā)現(xiàn)CiaRH系統(tǒng)的第三個基因，該基因編碼鈣離子感應(yīng)多肽CiaX。He等推測ciaXRH基因的自我調(diào)控與CiaX多肽有關(guān)，ciaXRH基因轉(zhuǎn)錄包括兩種水平：第一種是在鈣離子缺乏時，CiaX多肽和CiaH連接，CiaH自身磷酸化，將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給CiaR，CiaR活化并連接到ciaXRH啟動子上的重復(fù)序列，從而使ciaXRH基因轉(zhuǎn)錄活躍；第二種當(dāng)外界鈣離子充足時，鈣離子結(jié)合到CiaX多肽上的SD環(huán)狀區(qū)域，使CiaX構(gòu)象變化，不能與CiaH發(fā)生相互作用，CiaH轉(zhuǎn)移磷酸給另一個未經(jīng)確認(rèn)的反應(yīng)調(diào)節(jié)因子RR，使ciaXRH基因進(jìn)入基本轉(zhuǎn)錄水平[23]。1.4 LevQRST

LevQRST包括碳水化合物感應(yīng)系統(tǒng)（levQT）和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)瀑布（levRS）。levS基因編碼感應(yīng)激酶LevS，levR基因編碼反應(yīng)調(diào)節(jié)因子LevR，levQ、levT基因編碼跨膜糖結(jié)合蛋白LevQ、LevT[24]。在外環(huán)境果糖濃度低時，LevQRST能激活fruA基因，編碼合成果糖水解酶FruA。levDEFG基因的轉(zhuǎn)錄也需要LevQRST的誘導(dǎo)，levDEFG基因編碼果糖/甘露糖輔酶Ⅱ（EⅡLEV）： EⅡLEV優(yōu)先攝取果糖[24]，是一種磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)。fruA、levDEFG基因受levQRST基因產(chǎn)物調(diào)節(jié)的機(jī)制如下：當(dāng)外源性果糖有限，LevS、LevR去磷酸化，糖結(jié)合蛋白LevQ、LevT在胞膜上相互呈松弛性連接，在FruA作用下果糖從菊粉中大量釋放時，LevQRST系統(tǒng)被活化，胞外果糖與胞膜上的LevQ或LevT連接，使LevQT的構(gòu)象變化，從而使LevS自身磷酸化，并把磷酸轉(zhuǎn)移給LevR，磷酸化的LevR連接fruA和levDEFG基因啟動子上，以激活其轉(zhuǎn)錄；當(dāng)胞內(nèi)果糖大量累積時，又可通過EⅡLEV觸發(fā)碳代謝產(chǎn)物阻遏系統(tǒng)（carbon catabolite repression，CCR），作為一個負(fù)反饋下調(diào)LevQRST活性，阻止FruA過量合成[24]。

2 細(xì)菌數(shù)量群體感應(yīng)（quorum sensing，QS）系統(tǒng)

QS是一種細(xì)菌信號傳導(dǎo)系統(tǒng)，是細(xì)菌隨著生存環(huán)境中群體密度變化來調(diào)控基因表達(dá)的一種分子機(jī)制。在口腔鏈球菌中，ComCDE系統(tǒng)調(diào)節(jié)種內(nèi)密度感應(yīng)信號，LuxS系統(tǒng)調(diào)節(jié)種屬間密度感應(yīng)信號。

2.1 ComCDE

CSP（competence stimulating peptide）是一種感受刺激性多肽，由comC基因編碼，調(diào)節(jié)變異鏈球菌基因組中許多基因的表達(dá)，包括攝取外源DNA、產(chǎn)生細(xì)菌素。在外界壓力如低pH、抗生素誘導(dǎo)下，comC基因轉(zhuǎn)錄激活[25]，編碼ComDE雙組分系統(tǒng)，ComD蛋白可感受CSP信號，ComD與CSP結(jié)合后自身磷酸化，并磷酸化激活轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子ComE蛋白。ComE可啟動包括自身操縱子在內(nèi)的多基因表達(dá)，使細(xì)菌進(jìn)入感受態(tài)，促進(jìn)comX、非羊毛硫類細(xì)菌素A（nlmA）、非羊毛硫類細(xì)菌素C（nlmC）基因分別編碼ComX、變鏈素Ⅳ（mutacin Ⅳ）、變鏈素Ⅴ（mutacin Ⅴ）[25]。研究發(fā)現(xiàn)，ComX（sigX）是一種具有α因子活性的蛋白，可調(diào)節(jié)ComCDE系統(tǒng)[26]；mutacin Ⅳ可溶解菌斑中其他鏈球菌；mutacin Ⅴ可使變異鏈球菌亞組自溶[25]。變鏈素與基因攝取功能的相互協(xié)調(diào)使變異鏈球菌更適合菌斑的多菌種生活，使存活下來的變異鏈球菌通過轉(zhuǎn)化作用獲得最適宜生存的基因。

2.2 HdrRM

Merritt等[27]提出，HdrRM雙組分系統(tǒng)與細(xì)菌攝取外源DNA、產(chǎn)生mutacin Ⅳ也有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)通過激活HdrM，可以抑制變異鏈球菌攝取外源DNA，HdrM是一種膜蛋白，缺乏可辨認(rèn)的激酶區(qū)域，推測HdrRM信號傳導(dǎo)系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)TCSTS所擁有的磷酸化體系。Okinaga等[28]發(fā)現(xiàn)，HdrR能上調(diào)細(xì)菌攝取外源DNA，產(chǎn)生mutacin Ⅳ的能力，而HdrM卻對抗HdrR的活性，下調(diào)這些基因的表達(dá)。

2.3 ComRS

Mashburn-Warren等[29]又發(fā)現(xiàn)另一個與變異鏈球菌攝取外源DNA、產(chǎn)生細(xì)菌素相關(guān)的調(diào)控環(huán)路，包括雙甘氨酸信號肽ComX、ComR。ComS是ComS基因的轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)物，胞外成熟后稱XIP，通過OppA通透酶進(jìn)入胞內(nèi)，直接結(jié)合到ComR上，形成可溶性XIP-ComR復(fù)合體，并通過激活comX基因轉(zhuǎn)錄，實現(xiàn)變異鏈球菌攝取外源DNA的功能。

2.4 LuxS

LuxS蛋白是由luxS基因編碼的一種小分子金屬酶，自誘導(dǎo)分子（autoinducer-2，AI-2）是參與合成LuxS系統(tǒng)的信號分子。AI-2對變異鏈球菌的壓力應(yīng)答基因有直接影響，包括蛋白合成與降解、DNA合成與修復(fù)、變鏈素Ⅰ（mutacinⅠ）生成，這些對菌斑環(huán)境下變異鏈球菌的生存至關(guān)重要[30]。mutacinⅠ由mutA基因編碼，Merritt等[31]發(fā)現(xiàn)毒力抑制誘導(dǎo)因子IrvA，通過抑制mutA和mutacinⅠ轉(zhuǎn)錄激活因子-mutR來抑制mutacinⅠ的表達(dá)。Niu等[32]發(fā)現(xiàn)irvA基因表達(dá)受AI-2、IrvR調(diào)控IrvA通過促進(jìn)黏附、菌斑形成相關(guān)的蔗糖獨立性（SpaP）和蔗糖依賴性（GbpC）因子的表達(dá)，來促進(jìn)葡聚糖依賴的細(xì)胞間聚集。

3 發(fā)展與展望

目前，變異鏈球菌基因組中仍有許多轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的作用靶點尚不清楚，它們各自對變異鏈球菌經(jīng)典致齲毒力因子編碼基因的調(diào)控作用與機(jī)制尚不明確?，F(xiàn)有的針對變異鏈球菌個別宏觀轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的單基因突變研究，難以深入認(rèn)識其致齲毒力調(diào)控模式和關(guān)鍵位點。未來的發(fā)展有望通過系統(tǒng)突變手段，構(gòu)建變異鏈球菌轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子單基因突變體庫，通過體外模型和齲病動物模型篩選鑒定調(diào)控變異鏈球菌致齲毒力的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，進(jìn)一步通過生物信息學(xué)和高通量測序技術(shù)，確定鑒定因子的結(jié)合序列位點及其調(diào)控下游靶基因的分子機(jī)制，最終建立變異鏈球菌致齲毒力相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這將有助于從分子水平深入認(rèn)識變異鏈球菌致齲毒力的調(diào)控模式及其致齲機(jī)制，為齲病防治新技術(shù)的研發(fā)提供候選靶標(biāo)，具有重大的理論意義和應(yīng)用價值。

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（本文編輯 杜冰）

Development of transcriptional regulators of Streptococcus mutans in cariogenic virulence

Li Lan1, Zhang Bowen2, Li Jiyao1. (1. State Key Laboratory of Oral Diseases, Dept. of Conservative Dentistry and Endodontics, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China; 2. State Key Laboratory of Oral Diseases, Dept. of Head and Nech Oncology, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China)

Supported by: The National Natural Science Foundation of China (81371135). Correspondence: Li Jiyao, E-mail: jiyao_li@ aliyun.com.

Some transcriptional regulators contribute to the expression of Streptococcus mutans (S. mutans) cariogenic virulence factors. Although the target sequence transcriptional regulators anchored on the cell wall and the molecular mechanism of the regulation of S. mutans are yet to be clarified, certain global regulators potentially associated with the cariogenicity of S. mutans have been identified. This review is about these related transcriptional regulators, their function, and possible mechanisms.

Streptococcus mutans; cariogenic virulence; transcriptional regulator

Q 786

A

10.7518/hxkq.2016.06.018

2015-10-12；

2016-09-10

國家自然科學(xué)基金面上項目（81371135）

李藍(lán)，碩士，E-mail：568598025@qq.com

李繼遙，教授，博士，E-mail：jiyao_li@aliyun.com