科学家在植物病原细菌的“智商”感知信号研究中获进展

摘要: 　　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，现代微生物学学习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 ...

　　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，现代微生物学学习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学习期间，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学习中心教授MJ. Daniels及其同事学习表明：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学习所（IMCB）教授张炼辉学习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，学习者鉴定出了许多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。虽然后续学习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。而对于早就被学习者推测感应胞外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－脂肪酸相互作用学习时技术难度较大，因此一直不足直接证据来证明RpfC的确就是细菌感知DSF的受体。
　　中国科学院微生物学习所钱韦学习组从事植物病原细菌感知信号的学习，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，为从生物化学水平学习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，该学习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学习中的一个难题，而且建立了膜受体－脂肪酸相互作用生化分析平台，为深入学习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。
　　这项成果是钱韦学习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。学习结果已经发表于期刊PLoS Pathogens（Cai et al， 2017. Fatty Acid DSF Binds and Allosterically Activates Histidine Kinase RpfC of Phytopathogenic Bacterium Xanthomonas campestris pv.campestris to Regulate Quorum-Sensing and Virulence）。微生物所博士学习生蔡珍、袁智惠是论文的并列第一作者。学习获得了中科院战略性先导科技专项B类和国家自然科学基金面上项目的资助。
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