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科學家在植物病原細菌的“智商”感知信號研究中獲進展

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科學家在植物病原細菌的“智商”感知信號研究中獲進展

摘要: 　　細菌常常被認為是一類“低等”的單細胞生物，生存方式簡單。然而，現(xiàn)代微生物學學習改變了這一錯誤看法，發(fā)現(xiàn)細菌具有許多和高等生物類似的特性。例如，在信號認知這個事關(guān)生命生存與死亡的關(guān)鍵問題上，細菌不僅 ...

　　細菌常常被認為是一類“低等”的單細胞生物，生存方式簡單。然而，現(xiàn)代微生物學學習改變了這一錯誤看法，發(fā)現(xiàn)細菌具有許多和高等生物類似的特性。例如，在信號認知這個事關(guān)生命生存與死亡的關(guān)鍵問題上，細菌不僅能感知環(huán)境刺激，而且不同細菌個體之間能利用化合物作為分子“語言”進行細胞間通訊（即群體感應(yīng)，quorum-sensing），感知同種生物的存在及種群大小，從而在寄主感染、自由生存和逆境適應(yīng)過程中相互交流，協(xié)作行動，表現(xiàn)出明顯的群體性和社會性。
　　已知細菌的分子“語言”包括高絲氨酸內(nèi)酯、小肽、喹喏酮等，其中，一類被稱為“擴散調(diào)控因子（DSF）”的化合物是黃單胞菌、假單胞菌、嗜麥芽窄食單胞菌和博克氏菌等多種動、植病原細菌進行細胞間通訊的信號物質(zhì)。在過去的近30年時間里，科學家一步步解析著細菌感知DSF信號的過程和原理：1991年，廣西大學教授唐紀良在英國開展學習期間，首次發(fā)現(xiàn)植物病原細菌（野油菜黃單胞菌）與動物病原細菌一樣，其雙組分信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)（RpfC-RpfG）也是調(diào)控致病力的主要控制機制；1997年左右，英國John Innes學習中心教授MJ. Daniels及其同事學習表明：RpfC應(yīng)該是識別胞外DSF信號的受體，但DSF究竟是什么性質(zhì)的化合物仍然未知；直到2004年，新加坡分子與細胞生物學學習所（IMCB）教授張煉輝學習組成功地從細菌分泌物中鑒定出了DSF信號分子，結(jié)構(gòu)解析證明DSF是一種12碳的脂肪酸；此后，學習者鑒定出了許多DSF家族的脂肪酸，發(fā)現(xiàn)它們不但是細菌個體間通訊的信號化合物，而且也是細菌與真菌、細菌與植物之間進行跨界信號交流的信號物質(zhì)。雖然后續(xù)學習發(fā)現(xiàn)了一些能夠結(jié)合DSF分子的蛋白質(zhì)（如RpfR和RpfS），但由于它們都是細胞質(zhì)蛋白，不太像是位于細胞表面感應(yīng)細胞外DSF的受體。而對于早就被學習者推測感應(yīng)胞外DSF信號的RpfC來說，由于這個受體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一個含有5個跨膜區(qū)的組氨酸激酶，在開展酶學分析和膜蛋白－脂肪酸相互作用學習時技術(shù)難度較大，因此一直不足直接證據(jù)來證明RpfC的確就是細菌感知DSF的受體。
　　中國科學院微生物學習所錢韋學習組從事植物病原細菌感知信號的學習，致力于分析細菌雙組分信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)（即細菌的“智商”）如何識別寄主植物與環(huán)境信號。最近，他們成功地將全長RpfC組氨酸激酶受體組裝到脂質(zhì)雙分子層或納米盤（nanodisc）中，獲得了具有酶學活性的蛋白脂質(zhì)體，為從生物化學水平學習RpfC提供了分析平臺�；谠撈脚_，他們綜合利用微量熱泳動（MST）、熱遷移（TSA）和圓二色譜等分析技術(shù)，證明DSF分子直接結(jié)合在RpfC信號感應(yīng)區(qū)一段長22個氨基酸的區(qū)域上，激活RpfC蛋白的激酶活性。特別有趣的是，發(fā)現(xiàn)在細菌種群密度低時，RpfC的近膜區(qū)（juxtamembrane）抑制自身的激酶活性，但在細菌種群密度較高時，DSF刺激解除了該抑制，從而激活群體感應(yīng)信號通路，調(diào)控細菌致病因子的表達和生物被膜（biofilm）的形成。因此，該學習從酶學和生物化學角度提出了有力的證據(jù)，不但證明RpfC確實是DSF信號分子的膜受體，解決了細菌細胞間通訊學習中的一個難題，而且建立了膜受體－脂肪酸相互作用生化分析平臺，為深入學習DSF家族信號分子在細胞間通訊中的調(diào)控功能，發(fā)展能夠阻斷細菌群體感應(yīng)過程的新型抗菌化合物打開了突破口。
　　這項成果是錢韋學習組繼近期發(fā)現(xiàn)黃單胞菌的“智商”（即雙組分信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)）感知高鹽脅迫（Wang et al， 2014， Environ Microbiol. 16:2126-2144）、感知寄主植物體內(nèi)的鐵匱乏環(huán)境（Wang et al， 2016. PLoS Pathogens. 12: e1006133）之后，再次在該領(lǐng)域做出的重要進展。學習結(jié)果已經(jīng)發(fā)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）。微生物所博士學習生蔡珍、袁智惠是論文的并列第一作者。學習獲得了中科院戰(zhàn)略性先導科技專項B類和國家自然科學基金面上項目的資助。
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科學家在植物病原細菌的“智商”感知信號研究中獲進展  |  責任編輯：蟲子
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