细菌，居然也有“高智商”? | PLoS Pathogens 论文推荐

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细菌常常被认为是一类“低等”的单细胞生物，生存方式简单。然而，现代微生物学研究改变了这一错误看法，发现细菌具有许多和高等生物类似的特性。例如，在信号认知这个事关生命生存与死亡的关键问题上，细菌不仅能感知环境刺激，而且不同细菌个体之间能利用化合物作为分子“语言”进行细胞间通讯（即群体感应，quorum-sensing），感知同种生物的存在及种群大小，从而在寄主感染、自由生存和逆境适应过程中相互交流，协作行动，表现出明显的群体性和社会性。

已知细菌的分子“语言”包括高丝氨酸内酯、小肽、喹喏酮等，其中，一类被称为“扩散调控因子（DSF）”的化合物是黄单胞菌、假单胞菌、嗜麦芽窄食单胞菌和博克氏菌等多种动、植病原细菌进行细胞间通讯的信号物质。

在过去的近30年时间里，科学家一步步解析着细菌感知 DSF 信号的过程和原理：1991年，广西大学教授唐纪良在英国开展研究期间，首次发现植物病原细菌（野油菜黄单胞菌）与动物病原细菌一样，其双组分信号转导系统（RpfC-RpfG）也是调控致病力的主要控制机制；1997年左右，英国 John Innes 研究中心教授 MJ. Daniels 及其同事研究表明：RpfC 应该是识别胞外 DSF 信号的受体，但 DSF 究竟是什么性质的化合物仍然未知；直到2004年，新加坡分子与细胞生物学研究所（IMCB）教授张炼辉研究组成功地从细菌分泌物中鉴定出了 DSF 信号分子，结构解析证明DSF是一种12碳的脂肪酸；此后，研究者鉴定出了许多 DSF 家族的脂肪酸，发现它们不但是细菌个体间通讯的信号化合物，而且也是细菌与真菌、细菌与植物之间进行跨界信号交流的信号物质。虽然后续研究发现了一些能够结合 DSF 分子的蛋白质（如 RpfR 和 RpfS），但由于它们都是细胞质蛋白，不太像是位于细胞表面感应细胞外 DSF 的受体。而对于早就被研究者推测感应胞外 DSF 信号的 RpfC 来说，由于这个受体结构复杂，是一个含有5个跨膜区的组氨酸激酶，在开展酶学分析和膜蛋白－脂肪酸相互作用研究时技术难度较大，因此一直缺乏直接证据来证明 RpfC 的确就是细菌感知 DSF 的受体。

中国科学院微生物研究所钱韦研究组从事植物病原细菌感知信号的研究，致力于分析细菌双组分信号转导系统（即细菌的“智商”）如何识别寄主植物与环境信号。最近，他们成功地将全长 RpfC 组氨酸激酶受体组装到脂质双分子层或纳米盘（nanodisc）中，获得了具有酶学活性的蛋白脂质体，为从生物化学水平研究 RpfC 提供了分析平台。基于该平台，他们综合利用微量热泳动（MST）、热迁移（TSA）和圆二色谱等分析技术，证明 DSF 分子直接结合在 RpfC 信号感应区一段长22个氨基酸的区域上，激活 RpfC 蛋白的激酶活性。特别有趣的是，发现在细菌种群密度低时，RpfC 的近膜区（juxtamembrane）抑制自身的激酶活性，但在细菌种群密度较高时，DSF 刺激解除了该抑制，从而激活群体感应信号通路，调控细菌致病因子的表达和生物被膜（biofilm）的形成。因此，该研究从酶学和生物化学角度提出了有力的证据，不但证明 RpfC 确实是 DSF 信号分子的膜受体，解决了细菌细胞间通讯研究中的一个难题，而且建立了膜受体－脂肪酸相互作用生化分析平台，为深入研究 DSF 家族信号分子在细胞间通讯中的调控功能，发展能够阻断细菌群体感应过程的新型抗菌化合物打开了突破口。

这项成果是钱韦研究组继近期发现黄单胞菌的“智商”（即双组分信号转导系统）感知高盐胁迫（Wang et al, 2014, Environ Microbiol. 16:2126-2144）、感知寄主植物体内的铁匮乏环境（Wang et al, 2016. PLoS Pathogens. 12: e1006133）之后，再次在该领域做出的重要进展。研究结果已经发表于期刊 PLoS Pathogens。微生物所博士研究生蔡珍、袁智惠是论文的并列第一作者。 B 类和国家自然科学基金面上项目的资助。

论文基本信息

【题目】Fatty acid DSF binds and allosterically activates histidine kinase RpfC of phytopathogenic bacterium Xanthomonas campestris pv. campestris to regulate quorum-sensing and virulence

【作者】 Zhen Cai , Zhi-Hui Yuan , Huan Zhang, Yue Pan, Yao Wu, Xiu-Qi Tian, Fang-Fang Wang, Li Wang, Wei Qian

【刊期】 PLoS Pathogens

【日期】 Published 15 March 2017

【DOI】10.1371/journal.ppat.1006304

【摘要】 As well as their importance to nutrition, fatty acids (FA) represent a unique group of quorum sensing chemicals that modulate the behavior of bacterial population in virulence. However, the way in which full-length, membrane-bound receptors biochemically detect FA remains unclear. Here, we provide genetic, enzymological and biophysical evidences to demonstrate that in the phytopathogenic bacterium Xanthomonas campestris pv. campestris, a medium-chain FA diffusible signal factor (DSF) binds directly to the N-terminal, 22 amino acid-length sensor region of a receptor histidine kinase (HK), RpfC. The binding event remarkably activates RpfC autokinase activity by causing an allosteric change associated with the dimerization and histidine phosphotransfer (DHp) and catalytic ATP-binding (CA) domains. Six residues were found essential for sensing DSF, especially those located in the region adjoining to the inner membrane of cells. Disrupting direct DSF-RpfC interaction caused deficiency in bacterial virulence and biofilm development. In addition, two amino acids within the juxtamembrane domain of RpfC, Leu172 and Ala178, are involved in the autoinhibition of the RpfC kinase activity. Replacements of them caused constitutive activation of RpfC-mediated signaling regardless of DSF stimulation. Therefore, our results revealed a biochemical mechanism whereby FA activates bacterial HK in an allosteric manner, which will assist in future studies on the specificity of FA-HK recognition during bacterial virulence regulation and cell-cell communication.

【链接】 http://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1006304

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