腸外致病性大腸桿菌LuxR家族轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白YjjQ研究進(jìn)展

傅丹丹，肖亞婷，祁克宗，宋祥軍，涂 健，薛 媚

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院/獸醫(yī)病理生物學(xué)與疫病防控安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230036)

致病性大腸桿菌包括腸道內(nèi)致病性大腸桿菌及腸外致病性大腸桿菌，腸外致病性大腸桿菌包括：尿道致病性大腸桿菌(UropathogenicEscherichia coli，UPEC)、新生兒腦膜炎大腸桿菌(NeonatalmeningitisEscherichia coli，NMEC)、禽致病性大腸桿菌(Avian PathogenicEscherichia coli，APEC)等[1]。腸外致病性大腸桿菌常引發(fā)腹瀉、尿路感染、新生兒腦膜炎和敗血癥等多種疾病，給人和動物的健康和公共衛(wèi)生帶來嚴(yán)重威脅[2]。但由于APEC及UPEC等腸外致病性大腸桿菌血清型眾多，且毒力因子復(fù)雜，導(dǎo)致其致病機(jī)制尚不明確。

轉(zhuǎn)錄因子Y jjQ是LuxR家族的一種調(diào)控蛋白，其含有 LuxR家族共有的螺旋 -轉(zhuǎn)角 -螺旋(helix-turn-helix，HTH)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，可通過結(jié)合靶基因的啟動子序列調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[3]。LuxR型轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子(LuxR-type transcriptional regulators)廣泛存在于革蘭氏陰性菌中，包含YjjQ、BglJ、RcsA-RcsB等[4-5]，在細(xì)菌群體感應(yīng)、生物被膜形成及胞外酶、毒力因子和次生代謝產(chǎn)物的合成中發(fā)揮重要作用。yjjQ常與bglJ構(gòu)成操縱子以發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用，該操縱子可被全局阻遏蛋白H-NS抑制，而被轉(zhuǎn)錄激活因子 LeuO激活[3](圖 1)，H-NS和 LeuO對 yjjQ-bglJ操縱子的調(diào)控表明這些基因與應(yīng)激反應(yīng)和/或毒力相關(guān)性狀的控制有關(guān)[6]。本文依據(jù)已有的研究詳述了腸外致病性大腸桿菌LuxR家族轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白Y jjQ的研究進(jìn)展，為探索相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子對致病菌致病調(diào)控機(jī)制提供理論支撐。

圖1 LuxR家族轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[7]Fig.1 Transcriptional regulatory network of the LuxR family[7]

1 yjjQ的位置

yjjQ是yjjQ-bglJ操縱子的第一個基因[6]，其3'末端與下游基因bglJ 5'末端有42 bp開放閱讀框串聯(lián)重疊，其5'末端與膜蛋白基因yjjP相鄰，且yjjP與yjjQ之間存在一段含有yjjQ啟動子和調(diào)節(jié)元件的557 bp的非編碼區(qū)[8-10](圖2)。目前對Y jjQ的蛋白構(gòu)象和功能域還處于未知階段，因此進(jìn)一步探究其功能域有助于助揭示其在致病機(jī)制中所發(fā)揮的作用。

圖2 yjjQ-bglJ操縱子[3]Fig.2 yjjQ-bglJoperon[3]

2 YjjQ對靶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用

研究表明，轉(zhuǎn)錄因子YjjQ是轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重要調(diào)節(jié)劑，其通過結(jié)合靶基因啟動子序列而抑制靶基因轉(zhuǎn)錄，主要對包括鞭毛形成、生物被膜形成能力、攝鐵系統(tǒng)、胞外酶和毒力因子等相關(guān)基因的調(diào)控。

2.1 抑制細(xì)菌鞭毛及生物被膜的形成 鞭毛(Flagellum)作為細(xì)菌最主要的運動器官，參與細(xì)菌的黏附侵襲、生物被膜形成、分泌毒力因子和細(xì)菌運動等[11]。研究表明，鞭毛的合成和功能的發(fā)揮至少涉及50多個基因，這些基因共形成3個調(diào)控等級，分布在10多個操縱子上。其中flhDC操縱子位于鞭毛調(diào)控系統(tǒng)的最高等級，其主要編碼鞭毛主調(diào)節(jié)子FlhD4C2，在鞭毛合成、細(xì)菌分裂和毒力等方面發(fā)揮核心作用[5,12]。yjjQ過表達(dá)可導(dǎo)致大腸桿菌K-12、APEC IMT5155菌的運動能力顯著降低，且研究者通過構(gòu)建LacZ報告基因融合體發(fā)現(xiàn)其10倍抑制了大腸桿菌K-12flhDC基因的轉(zhuǎn)錄活性[6,8]，這表明yjjQ對鞭毛形成有顯著影響。

生物被膜(Biofilm，BF)主要由細(xì)菌及其分泌的黏附蛋白、胞外多糖等組分構(gòu)成，細(xì)菌利用生物被膜可增強自身耐藥性和抵抗外界環(huán)境壓力的能力。據(jù)統(tǒng)計，超過65%的微生物感染與生物被膜有關(guān)[13]。研究發(fā)現(xiàn)，yjjQ抑制大腸桿菌K-12和UPEC 536生物被膜的形成，且通過調(diào)控膜相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄參與生物被膜、莢膜及其它膜結(jié)構(gòu)的功能和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響細(xì)菌毒力[6,10]。

2.2 抑制鐵攝取基因的表達(dá) 鐵元素是大部分細(xì)菌生存所必需的微量元素，參與體內(nèi)的多種酶催化反應(yīng)，對機(jī)體的生命活動起重要作用，但鐵過量時對細(xì)菌有毒害作用[14]。在長期進(jìn)化中，為維持體內(nèi)游離鐵的濃度，細(xì)菌形成一系列螯合和攝取鐵元素的系統(tǒng)，以保證其各種功能的正常發(fā)揮。研究表明，攝鐵系統(tǒng)與細(xì)菌毒力和生物被膜形成有密切的聯(lián)系[8,15]。當(dāng)APEC IMT5155菌株缺失yjjQ基因后，發(fā)現(xiàn)攝鐵相關(guān)基因ireA，fyuA，sitA和chuA的表達(dá)均下調(diào)[8]，其中chuA參與病原菌血紅素攝??；周質(zhì)鐵結(jié)合蛋白SitA介導(dǎo)錳和鐵運輸，與細(xì)菌毒力相關(guān)[16-17]。

2.3 轉(zhuǎn)錄調(diào)控其它靶基因的表達(dá) yjjQ還參與調(diào)控其它多種基因的表達(dá)：①YjjQ抑制氨基酸合成酶基因，如與芳香族氨基酸合成有關(guān)的tyrB和aroA基因，參與催化α，β-羥基酸的脫水反應(yīng)的ilvD基因(編碼二羥基酸脫水酶)[18]，與琥珀酰轉(zhuǎn)移酶相關(guān)的dapD基因等[19]。Li等人在敲除APEC IMT5155菌株的yjjQ基因后發(fā)現(xiàn)上述的氨基酸合成酶基因活性均下降，并在M 9培養(yǎng)基中加入0.4%酪蛋白氨基酸后缺失株的生長能力恢復(fù)至野株型水平[8]，表明YjjQ參與氨基酸代謝并調(diào)控細(xì)菌的生命代謝；②調(diào)控膜蛋白基因，如ompC、ompT、gfc、dcsA、tolC、kpsMT等。外膜蛋白TolC與細(xì)菌耐藥、毒力、耐酸性有關(guān)，常作為藥物靶標(biāo)進(jìn)行研究[20]；OmpC是大腸桿菌重要的外膜蛋白，參與細(xì)胞外膜形成，可增強機(jī)體的免疫力和耐藥性[21]，這些膜蛋白通常位于細(xì)菌細(xì)胞壁的外膜(OM)和/或內(nèi)膜(IM)，表明yjjQ影響細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)及細(xì)胞壁完整[6,8,10]；③轉(zhuǎn)錄調(diào)控其它基因，如與脂多糖LPS相關(guān)的基因rfaE，與耐酸性相關(guān)基因adiY，與能量代謝相關(guān)基因cra，與耐酸性和致病性相關(guān)基因dctR，與鋅吸收有關(guān)的zur基因[8,10,22]。

目前已發(fā)現(xiàn)Y jjQ調(diào)控的基因(部分靶基因如表1)在病原菌轉(zhuǎn)錄調(diào)控、新陳代謝等方面發(fā)揮重要作用，但主要集中于對鞭毛合成抑制作用的研究，對其它致病因子及其在整個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中扮演的角色仍有待深入探究。

表1 YjjQ轉(zhuǎn)錄調(diào)控的部分靶基因及其主要功能Table 1 Transcriptional Regulation of Some Target Genes and Their Major Functions

3 YjjQ的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制

病原菌感染宿主細(xì)胞涉及到多種毒力因子的共同作用，致病過程復(fù)雜，而轉(zhuǎn)錄因子(Transcription factor，TF)是一類能夠調(diào)控細(xì)菌生命活動的蛋白質(zhì)[26]，不僅可以調(diào)控下游靶基因，也受其自身的上游調(diào)控子的調(diào)控，在細(xì)菌復(fù)雜有序的級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中處于重要位置。YjjQ對靶基因轉(zhuǎn)錄抑制主要有兩種機(jī)制：①通過YjjQ的HTH DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域直接與靶基因啟動子的序列結(jié)合，進(jìn)而干擾靶基因與轉(zhuǎn)錄因子，或與RNA聚合酶結(jié)合以抑制轉(zhuǎn)錄發(fā)生；②通過抑制其它轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的表達(dá)而間接起作用，如假定的靶基因ucpA和fruBKA。cra分別是ucpA轉(zhuǎn)錄激活子和fruBKA轉(zhuǎn)錄抑制子，Y jjQ通過抑制cra可以間接下調(diào)ucpA的表達(dá)及上調(diào)fruBKA表達(dá)[27-28]。

4 展望

腸外致病性大腸桿菌APEC和UPEC均能夠引起嚴(yán)重的腸外疾病，且有研究提示APEC和UPEC可能互為毒力基因庫，但目前關(guān)于APEC及UPEC致病機(jī)制尚不明確。YjjQ通過抑制與菌毛合成、鞭毛合成和生物被膜形成的相關(guān)基因，不僅影響APEC和UPEC對宿主細(xì)胞的入侵和粘附，甚至在尿道感染的復(fù)發(fā)中起重要作用。

群體感應(yīng)(Quorum Sensing，QS)和二元調(diào)控系統(tǒng)(Two Component System，TCS)與病原菌的致病性和耐藥性等密切相關(guān)，但目前已有的研究大多針對單個毒力基因或調(diào)控系統(tǒng)。LuxR類轉(zhuǎn)錄因子不僅是群體感應(yīng)過程中一個重要參與者，且結(jié)構(gòu)上與二元調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控蛋白有一定的相似性。Y jjQ是否可與群體感應(yīng)及二元調(diào)控系統(tǒng)等在病原體網(wǎng)絡(luò)調(diào)控中協(xié)同發(fā)揮作用，以調(diào)節(jié)細(xì)菌行為從而適應(yīng)周圍環(huán)境，尚未見報道。將轉(zhuǎn)錄因子、群體感應(yīng)系統(tǒng)和二元調(diào)控系統(tǒng)等綜合考慮，不僅將為探究禽致病性大腸桿菌、尿道致病性大腸桿菌等腸外致病性大腸桿菌致病機(jī)制提供新思路，同時為探究禽致病性大腸桿菌與尿道致病性大腸桿菌是否互為對方毒力基因庫提供理論依據(jù)，同時為研究其它病原菌致病機(jī)制及相互間的關(guān)系提供線索。