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西北大学梁海华团队揭示铜绿假单胞菌六型分泌系统响应厌氧环境压力的分子机制

已有 396 次阅读 2021-4-14 08:54 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流


北京时间2021年4月13日晚23时,Cell Reports在线发表了西北大学关于铜绿假单胞菌六型分泌系统(T6SS)是如何响应厌氧胁迫压力及其作用机制的研究论文。研究揭示了在厌氧条件下T6SS介导钼酸根的转运,从而使得铜绿假单胞菌在与其它细菌竞争中取得生长优势。


西北大学生命科学学院青年教师王铁涛博士为本论文第一作者,梁海华教授为通讯作者。



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铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)是一种重要的条件致病菌,在人体中能够引起持续的急-慢性感染,是引起院内感染的主要病原菌之一。因此,全面而深入地理解铜绿假单胞菌的致病机理,有助于为控制铜绿假单胞菌的感染及开发新型抗菌药物提供坚实的理论基础。


细菌在其生存周期和感染进程中进化出了多种不同类型的分泌系统(Secretion System),其特异地分泌相关底物和效应蛋白来介导细菌对环境的适应以及与宿主的相互作用。细菌VI型分泌系统(Type VI Secretion System, T6SS)是一种分布广泛、结构复杂且功能多样的新型分泌系统。T6SS在细菌致病性、对环境的适应性以及细菌间的竞争中发挥着重要作用。尽管目前对T6SS的调控、组装及功能做了大量研究,但因其结构的复杂性,还有众多的T6SS效应蛋白未被鉴定出来,从而限制了对其生物学功能的认识。


梁海华课题组近几年围绕着铜绿假单胞菌T6SS的功能开展了一系列相关研究,利用蛋白分泌组学鉴定到了多个T6SS效应蛋白,并揭示了其介导铜离子转运的分子机制(Han et al., PLoS Pathog, 2019)。同时,阐述了一个破坏细胞壁肽聚糖合成的酶是T6SS的效应蛋白(Wang et al., Mol Microbiol, 2020)。通过对前期分泌组学的分析,研究者推测ModA可能是铜绿假单胞菌第二套T6SS(H2-T6SS)的一个效应蛋白。


实验结果证实,ModA的分泌受到H2-T6SS的严格调控(图1A),且该分泌过程依赖T6SS的载体蛋白VgrG2b。同时,H2-T6SS相关基因的表达以及T6SS的组装受到高浓度钼酸根的抑制,而在厌氧条件下被显著激活(图1B)。此外,T6SS受到氧感受调控蛋白Anr的直接调控(图1C)。ModA是一个钼酸根结合蛋白,钼酸根是细菌厌氧呼吸作用中硝酸还原酶的重要辅离子。


进一步的研究发现,缺失H2-T6SS核心基因clpV2或modA会引起细菌在厌氧条件下的生长减慢,胞内硝酸还原酶活性降低以及在与大肠杆菌共培养时其竞争能力明显减弱。为深入研究分泌至细胞外环境的钼酸根是如何转运至胞内的,研究者使用Pull-Down方法鉴定到了一个外膜蛋白IcmP。研究结果显示,IcmP与ModA具有相互作用(图1D),暗示IcmP协助ModA将胞外的钼离子转运到胞内。同时,IcmP的表达受到高浓度钼酸根的抑制,缺失icmP基因显著降低细菌在厌氧条件下对钼的获得。


种内竞争实验表明,H2-T6SS/ModA/IcmP钼转运系统在厌氧条件下对菌间的竞争起着非常重要的作用(图1E)。小鼠肺部急性感染结果显示,缺失H2-T6SS/modA/ icmP转运系统的相关基因影响着铜绿假单胞菌对小鼠的致病能力。


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图1.(A)ModA的分泌依赖于H2-T6SS;(B)H2-T6SS的组装在厌氧条件下被激活;(C)氧感受调控蛋白Anr在厌氧环境下激活H2-T6SS基因的表达;(D)外膜蛋白IcmP与ModA相互作用;(E)T6SS-ModA-IcmP钼转运系统参与铜绿假单胞菌在厌氧条件下的生长竞争。

 

综上所述,该研究阐述了H2-T6SS介导钼酸根转运的分子机制。在厌氧条件下,H2-T6SS相关基因受到氧感受蛋白Anr的激活。被激活的H2-T6SS通过VgrG2b分泌钼酸根结合蛋白ModA到胞外,被分泌到胞外的ModA结合钼酸根,通过与IcmP外膜蛋白相互作用,将钼酸根转运至胞内。因此,胞内的钼酸根提高了硝酸盐还原酶活性,有助于铜绿假单胞菌的厌氧呼吸,从而提高其在与其它细菌竞争中的生长优势(图2)。


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图2. 铜绿假单胞菌基于T6SS-ModA-IcmP的钼转运和厌氧呼吸作用模式图。


总之,该研究系统揭示了铜绿假单胞菌在厌氧条件下通过T6SS转运钼酸根从而在与其它细菌竞争中取得生长优势的分子机制。研究结果不仅丰富了对细菌T6SS功能的认识,同时为理解铜绿假单胞菌对复杂环境的适应性机制及其致病机理提供了一定的理论基础。


该研究得到了国家自然科学基金,陕西省科技创新团队项目,中国博士后基金及陕西省博士后基金的资助。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.108957





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