生物被膜（Biofilm）是微生物生存的主要形式。生物被膜相關(guān)研究是微生物學(xué)領(lǐng)域的前沿之一，在基礎(chǔ)生命科學(xué)和醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境治理等應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域均具有至關(guān)重要的研究意義。銅綠假單胞菌具有很強的環(huán)境適應(yīng)性，可以在水體、土壤、原油等多種環(huán)境中生存。同時銅綠假單胞菌也是一種條件致病菌，易形成生物被膜，是生物被膜研究的模式菌株之一。已有研究發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌存在一類褶皺型小菌落突變株（Rugose small colony variants, RSCVs），可以形成致密、厚實的超級生物被膜（hyper-biofilm）。超級生物被膜的形成導(dǎo)致突變株耐藥性大幅增強，易于逃脫宿主的免疫清除，臨床預(yù)后較差。此外超級生物被膜的形成也有助于細菌抵御環(huán)境中的生存壓力，可以在營養(yǎng)貧瘠的環(huán)境中維持生存。然而關(guān)于超級生物被膜菌株形成機制尚待解析。
中國科學(xué)院微生物研究所馬旅雁團隊對石油分離的兩株銅綠假單胞菌進行了全基因組測序，分析發(fā)現(xiàn)兩株菌株基因組高度同源（identity>99.99%），但其中一株表現(xiàn)為形成超級生物被膜的小菌落皺褶表型。SNP分析結(jié)合分子生物學(xué)驗證揭示該菌甲基化趨化受體蛋白WspA的小片段缺失是導(dǎo)致菌株超級生物被膜形成的原因。WspA蛋白是Wsp系統(tǒng)中的信號感應(yīng)受體蛋白，通過甲基化或去甲基化兩種修飾形態(tài)決定著Wsp系統(tǒng)的激活或關(guān)閉。WspA第280-307氨基酸殘基片段的缺失導(dǎo)致該蛋白將Wsp系統(tǒng)鎖定在持續(xù)激活的狀態(tài)。Wsp系統(tǒng)在銅綠假單胞菌中通過調(diào)控胞內(nèi)第二信使cyclic-di-GMP的合成從而協(xié)調(diào)細菌運動和生物被膜形成，Wsp系統(tǒng)的持續(xù)激活導(dǎo)致了胞內(nèi)cyclic-di-GMP的持續(xù)積累，從而抑制細菌運動，促進胞外多糖的合成，形成超級生物被膜。此外，馬旅雁團隊通過Orbitrap對WspA蛋白的甲基化位點進行鑒定，發(fā)現(xiàn)在WspA有小片段缺失的280-307氨基酸區(qū)域存在兩個甲基化位點E280和E297。推測甲基化位點的缺失導(dǎo)致WspA蛋白無法被甲基化和去甲基化修飾，從而導(dǎo)致Wsp系統(tǒng)被鎖定在持續(xù)激活的狀態(tài)。WspA同源蛋白序列比對顯示在發(fā)生氨基酸片段缺失（aa280-313）的區(qū)域有三個保守的重復(fù)序列，表明相應(yīng)DNA編碼區(qū)域內(nèi)的自發(fā)缺失可能是基因內(nèi)部片段重組的結(jié)果。該重復(fù)序列在幾個相關(guān)的菌屬和生境類似的細菌的WspA中均存在，提示了類似突變發(fā)生的普遍性。WspA的小片段缺失在臨床分離的RSCV中也很常見。該研究結(jié)果闡明了銅綠假單胞菌超級生物被膜形成的機制以及該菌在特殊環(huán)境中獲得競爭優(yōu)勢的原因。
綜上，該研究揭示了甲基化趨化受體蛋白WspA通過小片段丟失的方式，激活cyclic-di-GMP的合成，從而導(dǎo)致菌株形成超級生物被膜的機制，為防治和控制超級生物被膜相關(guān)問題提供理論依據(jù)及可能的解決辦法。本研究工作以馬旅雁課題組博士生徐安明為第一作者，王迪副研究員為第二作者，馬旅雁研究員為通訊作者，于2022年3月發(fā)表在Environmental Microbiology雜志上。本研究得到了微生物所劉雙江團隊和李德峰團隊的合作與幫助。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金水圈重大研究計劃、國家重點研發(fā)計劃的支持。
原文鏈接：https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15763
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