c-di-GMP信号途径对细菌致病性的调控作用

环鸟苷二磷酸(c-di-GMP)是一种广泛存在于细菌中的新型第二信使。鸟苷酸环化酶(DGC)和磷酸二脂酶(PDE)分别控制了c-di-GMP的合成和降解, 其中DGC活性由GGDEF结构域决定, PDE活性由EAL和HD-GYP结构域决定。c-di-GMP调控着细菌多种生物学功能, 抑制毒性因子产生和运动性, 促进生物膜形成。c-di-GMP下游是一个包括转录、翻译以及翻译后等多层次的复杂调控网络。本文结合本室有关水稻白叶枯病菌的研究结果, 综述近年来国内外在c-di-GMP研究领域的最新进展。     

环二鸟苷酸(c-di-GMP)对大肠杆菌生物学功能的调控作用及机制

环二鸟苷酸(cyclic diguanosine monophosphate, c-di-GMP)是在细菌中发现的第二信使之一,参与大肠杆菌运动性、生物被膜形成及毒力等众多功能的调节。合成与水解c-di-GMP的二鸟苷酸环化酶(diguanylate cyclases, DGCs)和特异性的磷酸二酯酶(phosphodiesterases, PDEs)在大肠杆菌中分布广泛且丰富度较高。同时,DGCs和PDEs的蛋白结构不仅包括与c-di-GMP相关的酶活性中心,而且还具有多种感受环境变化和接收信号分子调节的结构域。鉴于c-di-GMP的调控复杂且值得深入探索,本文综述了c-di-GMP对大肠杆菌生物学特性的调控作用以及c-di-GMP在大肠杆菌中的两种调控模型,并对最新研究进展和应用进行展望。     

鼠疫耶尔森氏菌环二鸟苷酸代谢及生物被膜形成调控研究进展

鼠疫耶尔森氏菌(Yersinia pestis,以下简称"鼠疫菌")是烈性传染病鼠疫的病原菌,以鼠蚤作为传播媒介。鼠疫菌在其传播媒介鼠蚤的前胃中形成生物被膜从而促进其在宿主间传播。鼠疫菌生物被膜的形成受第二信使分子环二鸟苷酸(c-di-GMP)的正向调控。鼠疫菌中c-di-GMP由二鸟苷酸环化酶(DGC)HmsT和HmsD合成,由磷酸二酯酶(PDE)HmsP降解。文中主要介绍影响鼠疫菌环二鸟苷酸代谢及生物被膜形成的调控因子,并对其作用机制进行讨论和总结。     

c-di-GMP对细菌胞外多糖合成与运输的调控

环二鸟苷酸(Cyclic diguanylate,c-di-GMP)的发现已有29年。作为重要的细菌第二信使,c-di-GMP可参与调节细菌生物膜的合成与降解、运动、毒性、细胞周期、细胞分化等多种活动过程。胞外多糖(EPS)是细菌生物膜的主要组成成分,其合成和运输主要受c-di-GMP调控。目前细菌胞外多糖在医药、食品、农业、工业和环保等多个领域均有广泛的应用,其相关研究备受关注。本文旨在论述细菌中c-di-GMP合成与降解的调控,部分合成酶(Diguanylate cyclase,DGC)与降解酶(Phosphodiesterase,PDE)及其受体分子(Receptor)晶体结构等研究成果,并结合我们研究农杆菌ATCC31749中c-di-GMP对可德胶合成调控的基础上,重点阐述c-di-GMP对纤维素、藻酸盐、多聚氮乙酰葡萄糖胺(PNAG)和可德胶等EPS合成与运输的调控机制。     

水稻白叶枯病菌第二信使c-di-GMP代谢酶基因的预测和分析

旨在从水稻白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae,Xoo)中鉴定出含有GGDEF结构域的鸟苷酸环化酶(DGC)和含有EAL或HD-GYP结构域的磷酸二酯酶(PDE)编码基因。预测分析了Xoo已测序菌株中的GGDEF、EAL和HD-GYP结构域蛋白的种类、数量及其序列特征,鉴别了基序保守的DGC或PDE、基序退化的信号受体以及信号输入结构域,验证了部分不同类型结构域蛋白作为DGC/PDE、信号受体以及在细菌毒性调控等方面的功能。     

环二鸟苷酸信号分子抑制剂的研究进展

环二鸟苷酸(Bis-(3′-5′)cyclic diguanylic acid,c-di-GMP)是细菌所特有的一类核酸类第二信使,参与并调节细菌多种生理功能,包括细胞分化、生物被膜的形成以及致病因子的产生等。阻断c-di-GMP信号的传导对于发展新型抗菌药物具有重要的意义。现有研究结果表明,基于c-di-GMP调控的信号通路开发新型抗菌药物具有3类潜在的靶点,分别是c-di-GMP合成酶(DGCs)、c-di-GMP降解酶(PDEs)以及c-di-GMP受体。文中根据上述3类关键靶点,介绍了相关小分子抑制剂的研究进展,并展望了c-di-GMP信号分子抑制剂的发展方向。     

信号分子调控细菌生物被膜形成的分子机制

细菌生物被膜(Bacterial biofilm,BF)是黏附于机体黏膜或生物材料表面、由细菌及其分泌的多聚糖、蛋白质和核酸等组成的被膜状生物群体,是造成持续性感染的重要原因之一。细菌在生长繁殖时会产生一些次级代谢产物,部分会作为生物信号分子在细胞内或细胞间传递信息,使细菌在多细胞水平协调统一相互配合,以完成一些重要的生理学功能,如生物发光、BF的形成、运动与固定态生活方式的转换等。信号分子在BF形成过程中起着重要的调控作用。文中从密度感应系统(Quorum-sensing systems,QS)、环二鸟苷酸(Cyclic diguanylate,c-di-GMP)、双组分系统(Two-component systems,TCS)和sRNA等方面介绍影响BF形成的相关信号分子,重点对BF形成过程中的信号分子调控机制进行概述,这对于深入揭示信号分子调控BF形成的机制十分必要。     

SadC合成的c-di-GMP信号通过PilZ和FlgZ调节铜绿假单胞菌的泳动能力

【目的】探究铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)鸟苷酸环化酶(diguanylate cyclase,DGC)SadC合成的环二鸟苷酸(cyclicdi-GMP,c-di-GMP)信号与PilZ结构域受体间的信号传递关系,分析鉴定出特定PilZ结构域受体的调控功能和机制。【方法】SadC突变株和过表达菌株的构建及泳动能力分析;SadC过表达背景下,PilZ结构域受体突变各菌株的泳动表型分析和筛选;基因敲除和过表达解析筛选出的PilZ结构域受体功能;定点突变和遗传互补检测筛选出的PilZ结构域受体是否参与SadC合成c-di-GMP对泳动能力的调控。【结果】SadC通过影响鞭毛功能而非鞭毛形成抑制铜绿假单胞菌的泳动能力;PilZ结构域受体突变菌株筛选发现PilZ、FlgZ这2个受体参与了SadC介导的泳动能力抑制;功能分析发现ΔpilZ或ΔflgZ的泳动能力相比野生型PA14显著增强,而过表达PilZ或FlgZ则抑制了泳动能力;定点突变和回补实验发现PilZ第10位和FlgZ第140位氨基酸R对其介导SadC负调控泳动能力至关重要,多序列比对分析表明这些位点是其保...     

鉴定cyclic di-GMP效应蛋白：高通量筛选策略与实验验证方法

环二鸟苷单磷酸(cyclic di-GMP或c-di-GMP)是细菌细胞中广泛存在的第二信使,调控细菌生物被膜发育、致病力、运动性、胞外多糖产生及细胞周期在内的诸多重要生理表型。c-di-GMP通过结合多种类型的效应子(包括核糖开关或效应蛋白)来发挥调控功能。由于c-di-GMP分子在构象上具有多变性,其结合的效应子同样具有多样性。新型效应蛋白的筛选、鉴定是当前细菌信号转导领域的研究热点和难点,也是解析c-di-GMP调控机制的首要环节。本文在阐述c-di-GMP结合不同类型的效应蛋白并调控细菌生物被膜发育的基础上,综述了目前筛选c-di-GMP效应蛋白的方法,包括遗传筛选、亲和色谱结合质谱鉴定、DRa CALA系统鉴定以及基于分子对接的预测等。同时,对验证c-di-GMP效应蛋白的技术,如等温微量热滴定、表面等离子共振、微量热泳动在内的多种验证方法进行了总结,对比了这些策略和方法在应用上的优、缺点,为在细菌及其真核宿主基因组水平鉴定c-di-GMP效应蛋白的研究提供参考。     

c-di-AMP调控细菌生物被膜的形成

细菌生物被膜是细菌持续性致病的重要机制。研究细菌生物被膜的形成和发展可为顽固性细菌感染防治提供新的思路与策略。环二腺苷酸c-di-AMP(Cyclic diadenosine monophosphate)是继c-di-GMP之后在细菌中新发现的一种核苷酸第二信使分子。研究发现,c-di-AMP参与调节细菌多种生理功能,包括细菌生长代谢、生物被膜形成、细胞壁的合成以及细菌毒力因子等。本文综述了c-di-AMP参与调控细菌生物被膜形成的不同方式及其分子机制。鉴于c-di-AMP在调控细菌生物被膜中的重要性,其可作为抗细菌生物被膜感染新药研发的潜在靶点。     

检测大肠杆菌内c-di-GMP水平的双荧光素报告质粒的构建及应用

细菌通过调控第二信使环二鸟苷酸(cyclic diguanylate, c-di-GMP)而促进其适应环境、存活及致病。【目的】本研究旨在建立有效的c-di-GMP水平检测方法,为大肠杆菌内c-di-GMP水平检测提供便利条件。【方法】根据c-di-GMP核糖开关受体的调控方式、荧光报告基因等设计引物,通过重叠聚合酶链反应(overlap polymerase chain reaction, overlap PCR)和同源重组酶构成基于核糖开关的双荧光素报告质粒pAmCherry-Vc2EGFP(pACVcE),然后构建c-di-GMP代谢基因过表达菌株和缺失菌株,利用pACVcE检测大肠杆菌内c-di-GMP水平。【结果】OverlapPCR扩增产物与目的靶序列一致,测序结果证明pACVcE序列正确。表达c-di-GMP合成酶DgcZ的大肠杆菌胞内c-di-GMP水平显著升高,而表达c-di-GMP降解酶PdeK的大肠杆菌胞内c-di-GMP水平显著降低。禽致病性大肠杆菌的胞内c-di-GMP水平检测发现c-di-GMP降解酶基因pdeK缺失后胞内的c-di-GMP水平显著升高。【结...     

赤红球菌二鸟苷酸环化酶基因的克隆、信息学分析和转录变化研究

本研究通过克隆赤红球菌SD3的二鸟苷酸环化酶(DGC)基因,并对该酶进行生物信息学分析,研究其在甲苯和苯酚胁迫下的转录水平变化,为进一步研究该酶和赤红球菌SD3有机溶剂耐受性之间的关系奠定基础。综合使用煮沸法和冻融法提取赤红球菌SD3的总DNA,利用PCR扩增和T载体克隆获得DGC基因序列;利用生物信息学手段对DGC的理化性质和结构特征进行分析;利用邻位相连法构建进化树;采用Discovery studio 3.5将DGC与底物GTP进行分子对接;采用qPCR方法分析DGC基因在甲苯和苯酚胁迫下的转录变化情况。克隆获得了赤红球菌SD3的DGC基因序列,在GenBank中的序列登录号为MH482549。该基因的开放阅读框长为1 332 bp,编码443个氨基酸,预测蛋白分子量为46.95 kD,是疏水性蛋白。无信号肽和二硫键,含有6段跨膜区,第181~316位氨基酸之间存在一个GGDEF保守结构域和c-di-GMP结合抑制位点(Ⅰ位点)。亚细胞定位分析表明,DGC属于质膜蛋白。DGC中超过50%的氨基酸参与形成α螺旋结构。进化树分析表明Rhodococcus ruber SD3和Rhodococcus aetherivorans的DGC聚为一簇,推测赤红球菌SD3的DGC也属于ClassⅢnucleotidyl cyclases家族,具有类似的分子功能。分子对接表明DGC和GTP分子通过疏水作用和氢键产生相互作用。qPCR结果表明在甲苯和苯酚胁迫下,赤红球菌SD3中DGC基因的转录分别上调了1.57倍和8.71倍。研究表明,赤红球菌SD3中的DGC催化GTP产生c-di-GMP,并且DGC基因的转录在有机溶剂胁迫下发生显著上调,这暗示c-di-GMP与赤红球菌SD3的有机溶剂耐受性可能相关。     

c-di-GMP的磷酸二酯酶PA4781在抗菌肽Merecidin抑制铜绿假单胞菌生物被膜中的作用

【背景】抗菌肽Merecidin可抑制临床菌株铜绿假单胞菌PA03生物被膜。PA4781基因是课题组通过生物信息学分析筛选出的差异表达基因,PA4781作为细菌第二信使分子环二鸟苷酸(cyclic diguanylate,c-di-GMP)的磷酸二酯酶具有降解c-di-GMP的作用,其在抗菌肽Merecidin抑制生物被膜中的作用机制尚不清楚。【目的】研究细菌第二信使分子c-di-GMP的磷酸二酯酶PA4781基因在抗菌肽Merecidin抑制铜绿假单胞菌生物被膜中的作用。【方法】利用单碱基突变技术敲除PA4781基因,Sanger测序方法检测敲除的正确性。采用结晶紫染色法观察PA03菌株、PA4781过表达菌株、PA4781敲除菌株24 h生物被膜生长情况,以及在抗菌肽Merecidin 24、48、72μmol/L作用下各菌株生物被膜的生长情况。采用对羟基联苯溶液显色法检测在抗菌肽Merecidin 48、72μmol/L作用下,PA03菌株、PA4781过表达菌株、PA4781敲除菌株生物被膜藻酸盐的变化情况。【结果】Sanger测序结果显示,用pnCasPABEC系统成功实现了靶点位置的单碱基突变,提前终止了PA4781的转录;结晶紫染色结果显示,培养24h时,在24μmol/L抗菌肽Merecidin作用下PA03菌株、PA4781过表达菌株、PA4781敲除菌株生物被膜形成情况无显著性差异(P0.05),在抗菌肽Merecidin 48、72μmol/L处理下,过表达株与正常株和敲除株有显著性差异(P0.05),生物被膜明显减少,敲除株生物被膜厚度高于PA03组(P0.05)。随着抗菌肽Merecidin浓度升高各组藻酸盐含量下降,其中过表达菌株在抗菌肽Merecidin作用下藻酸盐生成量抑制率最高,可达65%。【结论】抗菌肽Merecidin能够促进细菌第二信使分子磷酸二酯酶PA4781的表达,为抗菌肽Merecidin抑制铜绿假单胞菌生物被膜的作用机制可能通过细菌第二信使分子这一信号途径提供新的研究思路。     

短短芽孢杆菌GZDF3中PilZ结构域基因的挖掘和糖基转移酶的原核表达

【背景】PilZ结构域是最早发现的环二鸟苷酸(Cyclic diguanylate,c-di-GMP)受体信号分子,与c-di-GMP结合后可以调控目标基因或者蛋白的活性,在细菌的生长过程中发挥着至关重要的作用,而短短芽孢杆菌中PilZ结构域的研究相对缺乏。【目的】挖掘短短芽孢杆菌GZDF3菌株中的PilZ结构域蛋白基因,并进行重组表达,为研究其功能奠定基础。【方法】从Pfam数据库中下载PilZ结构域模型,HMMScan软件扫描GZDF3全基因组序列,在保守结构域数据库(Conserved domain database,CDD)中分析蛋白保守结构域,Protein BLAST比对分析;采用ExPASy在线软件预测蛋白的基本理化性质;构建重组表达载体进行蛋白重组表达。【结果】GZDF3基因中存在5个含有PilZ结构域的蛋白编码基因,其中命名为Gene4836的基因经Protein BLAST比对分析显示其编码糖基转移酶,Gene1423为YcgR超家族蛋白编码基因,Gene1723编码透明质酸合成酶,属于糖基转移酶超家族2,其余Gene2571、Gene2956编码假定蛋白;Gene4836的编码产物分子量为24.08 kD,等电点为6.39,为酸性亲水性蛋白;C端有一个PilZ结构域;0.5 mmol/L乳糖诱导、30°C培养20 h,表达出一大小约为25kD的重组蛋白,与生物信息学预测结果相符。【结论】首次对短短芽孢杆菌含有PilZ结构域蛋白编码基因进行原核表达,并成功纯化出重组蛋白,为后续研究其功能奠定了基础。     

茎瘤固氮根瘤菌ORS571 GGDEF和EAL结构域蛋白的预测及功能研究（英文）

【目的】环二鸟苷酸c-di-GMP是细菌中广泛存在的第二信使,能够调控多种细胞功能。c-di-GMP的合成与水解分别由含有GGDEF结构域和EAL结构域的蛋白催化。本研究针对茎瘤固氮根瘤菌ORS571的GGDEF和EAL结构域相关蛋白进行基因组学分析,并对三个同时含有GGDEF和EAL结构域的蛋白(AZC_3085、AZC_3226和AZC_4658)进行功能研究。【方法】利用SMART数据库对含有GGDEF和EAL结构域的蛋白进行结构域预测。利用CLUSTALW程序对蛋白序列进行比较分析。通过同源重组的方法构建突变株,并对突变株的细胞运动能力、胞外多糖合成、生物膜形成及与豆科宿主的结瘤等表型进行测定。【结果】茎瘤固氮根瘤菌ORS571中一共存在37个GGDEF和EAL结构域蛋白。突变株?4658的运动能力较野生型有下降,但是其胞外多糖合成能力、生物膜形成能力和竞争性结瘤能力较野生型有提高。此外,实验结果表明突变株?4658的胞内c-di-GMP水平高于野生型。突变株?3085和?3226的各种表型与野生型相比没有明显差异。【结论】茎瘤固氮根瘤菌ORS571编码如此大数量的GGDEF和EAL结构域蛋白,表明c-di-GMP可能在其信号转导过程中起到非常重要的作用。同时具有GGDEF和EAL结构域的蛋白AZC_4658对茎瘤固氮根瘤菌ORS571的运动能力、胞外多糖合成、生物膜形成及与宿主的结瘤起到一定的调节作用。     

绿原酸通过增强RsmA的表达抑制铜绿假单胞菌生物被膜的形成

铜绿假单胞菌是常见的人类条件致病菌,其生物被膜的形成会增强菌体的耐药性。已有文献报道绿原酸可抑制铜绿假单胞菌生物被膜的形成,本研究在此基础上主要探究了其对全局性次级代谢调控系统Gac-Rsm表达的影响。结果显示,绿原酸可抑制铜绿假单胞菌生物被膜形成的能力,降低胞外总多糖合成量,但关键胞外多糖psl的合成酶基因pslA转录未受影响,还可增强Gac-Rsm系统中关键调控因子RsmA的表达水平,降低细胞内关键信使分子环二鸟苷酸(cyclic dimeric guanosine monophosphate,c-di-GMP)水平。结果表明,绿原酸可通过增强RsmA的表达来抑制铜绿假单胞菌生物被膜的形成。     

环二鸟苷单磷酸核糖开关的结构与功能

环二鸟苷单磷酸(c-di-GMP)是细菌中广泛存在的一类核苷类第二信使分子,能够调控细菌的生物被膜形成、运动性、黏附、毒力以及胞外多糖的产生等众多生理活动。核糖开关是m RNA 5′-非翻译区(5′-Untranslational region,5′-UTR)的一段RNA序列,包含可以识别并结合配体的保守序列——适配体区(Aptamer domain,AD),以及结构多变、可以调控下游编码基因的表达平台区(Expression platform,EP)。当代谢物分子浓度比较高时,其与适配体区结合,引起下游的表达平台区发生构象变化,进而实现对下游基因的调节。目前已发现c-di-GMP-Ⅰ和c-di-GMP-Ⅱ两类c-di-GMP的核糖开关。它们通过特异性地结合c-di-GMP,调控种类繁多的下游基因的表达。c-di-GMP-I核糖开关分布广泛,尤其在厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)的细菌中最为丰富。c-di-GMP-Ⅱ核糖开关具备变构核酶的功能,结合c-di-GMP后在其非典型剪切位点处发生结构变化,调节下游基因表达。文中围绕c-di-GMP核糖开关的发现、功能、分类以及下游调控基因的功能进行综述与分析。     

细菌群集运动特性的研究进展

群集运动(swarming motility)是细菌以群体方式协调性地依靠鞭毛和Ⅳ型菌毛(type Ⅳ pili,TFP)在半固体表面共同运动,是一种典型的协同运动。群集运动因其与生物被膜、子实体的形成、病原体的侵入和微生物的扩散及共生等过程都有着密切的关系而备受人们的关注,是当前微生物领域的一个研究热点。人们对细菌群集运动开展了大量的研究,包括群集运动中关键蛋白表达的变化、细胞间化学交流的变化以及机械性变化等。鞭毛蛋白的表达以及胞内环二鸟苷酸(cyclic diguanosine monophosphate,c-di-GMP)的水平等会对群集运动产生一定的影响,在菌落中复杂地调控着细菌集体行为;群集运动细胞独特的物理性质表现有益于菌落整体的扩张;细菌周围生长环境中的营养和水分含量等因素也在不同程度上影响细菌群集运动的能力。未来,在解析群集运动分子机制的基础上,如何构建一个统一的群集运动模型成为该领域研究面临的一个挑战。     

茎瘤固氮根瘤菌ORS571 GGDEF和EAL结构域蛋白的预测及功能研究

[目的]环二鸟苷酸c-di-GMP是细菌中广泛存在的第二信使,能够调控多种细胞功能。c-di-GMP的合成与水解分别由含有GGDEF结构域和EAL结构域的蛋白催化。本研究针对茎瘤固氮根瘤菌ORS571的GGDEF和EAL结构域相关蛋白进行基因组学分析,并对三个同时含有GGDEF和EAL结构域的蛋白（AZC_3085、AZC_3226和AZC_4658）进行功能研究。[方法]利用SMART数据库对含有GGDEF和EAL结构域的蛋白进行结构域预测。利用CLUSTALW程序对蛋白序列进行比较分析。通过同源重组的方法构建突变株,并对突变株的细胞运动能力、胞外多糖合成、生物膜形成及与豆科宿主的结瘤等表型进行测定。[结果]茎瘤固氮根瘤菌ORS571中一共存在37个GGDEF和EAL结构域蛋白。突变株△4658的运动能力较野生型有下降,但是其胞外多糖合成能力、生物膜形成能力和竞争性结瘤能力较野生型有提高。此外,实验结果表明突变株△4658的胞内c-di-GMP水平高于野生型。突变株△3085和△3226的各种表型与野生型相比没有明显差异。[结论]茎瘤固氮根瘤菌ORS571编码如此大数量的GGDEF和EAL结构域蛋白,表明c-di-GMP可能在其信号转导过程中起到非常重要的作用。同时具有GGDEF和EAL结构域的蛋白AZC_4658对茎瘤固氮根瘤菌ORS571的运动能力、胞外多糖合成、生物膜形成及与宿主的结瘤起到一定的调节作用。     

铜绿假单胞菌生物被膜组成及其受群体感应系统和c-di-GMP调控的研究进展

作为人类条件性感染的前三大病原菌之一的铜绿假单胞菌,是一种革兰氏阴性细菌,对免疫功能低下和囊性纤维化患者可以造成严重和持续性感染。造成这种持续感染的原因主要是由于细菌接收外界信号后,在自身调控网络的协同作用下,会依附于固体表面,并产生胞外多糖、基质蛋白和胞外DNA等大分子物质形成高度结构化的膜状复合物将自身包裹形成生物被膜群体结构。生物被膜可以有效帮助细菌定殖、提高细菌对抗菌物质和宿主免疫反应的抵抗能力、促进群落细菌的细胞-细胞之间的信号交流等,是临床治疗中病原菌慢性感染和反复感染最重要的原因之一。本篇综述重点介绍了铜绿假单胞菌生物被膜的各组成成分及其在生物被膜形成中的重要功能,并进一步阐述了群体感应系统(las、rhl、pqs与iqs)和c-di-GMP对铜绿假单胞菌生物被膜形成的调控作用。通过本篇综述可以更清晰地了解细菌生物被膜形成和调控的过程,为开发新的治疗生物被膜感染策略提供帮助。