雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)在細菌感知和響應(yīng)環(huán)境中的應(yīng)用

雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)在細菌感知和響應(yīng)環(huán)境中的應(yīng)用

細菌是地球上的普通生物。它具有最大的能力，適應(yīng)性最強。在長期的進化過程中，細菌已經(jīng)發(fā)展出多種機制(例如信號轉(zhuǎn)導(dǎo))以響應(yīng)環(huán)境變化。雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)(two-componentsystem,TCS)是細菌中第一種被鑒定的主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制(嗜根考克氏菌(Kocuriarhizophila)是一種最早從狹葉香蒲的根際分離到(目前，關(guān)于嗜根考克氏菌的TCSs研究甚少，僅在DC2201菌株中有報道(1結(jié)果與分析1.1嗜根考克氏菌的基因組信息自基因組學(xué)革命開始以來，已經(jīng)測序的細菌基因組超過20000個(/)。嗜根考克氏菌作為一種新近發(fā)現(xiàn)的細菌群，目前只有少量的基因組信息可用，本研究列舉了8株嗜根考克氏菌基因組的一般特征(表1)，它們都是由一條長度大于2.6Mb的單個環(huán)狀染色體組成，平均G+C含量高于70%。除14ASP外，其他菌株所含的基因與其編碼的蛋白數(shù)量差異較小。此外，相比于其他放線菌而言，嗜根考克氏菌的基因組相對較小，表明它能高度適應(yīng)自身的生態(tài)位(1.2嗜根考克氏菌中的ts基因根據(jù)PFAM數(shù)據(jù)庫中的HK和RR結(jié)構(gòu)域信息對8株嗜根考克氏菌基因組中的TCSs進行了預(yù)測，并通過與NCBI數(shù)據(jù)庫中其他序列比對，確定TCS、孤兒HK和孤兒RR的數(shù)目。結(jié)果表明，嗜根考克氏菌的TCSs基因至少在21個以上，其中TCS、孤兒HK和孤兒RR的平均數(shù)目分別是5.25對、7個和8.5個，不存在雜合子(表2)。不同的菌株之間，其TCSs蛋白分布也不一樣，最多的是DC2201和FDAAR-GOS＿302，成對的TCS有8個；最少的是14ASP，成對的TCS只有2個(表3)。文獻研究表明，大多數(shù)細菌編碼幾十個TCSs以響應(yīng)環(huán)境中的各種信號(1.3嗜根考克氏菌的傳感結(jié)構(gòu)域典型的TCS通常由一個HK和一個RR組成，它們在大多數(shù)情況下具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用。通過TM-HMMServer、PFAM和NCBI等數(shù)據(jù)庫的分析，本研究對13對TCSs的結(jié)構(gòu)域組成和分布進行了分析(表3;圖1)。由此可見，HKs和RRs都是模塊化蛋白質(zhì)。一個典型的HK包含一個可變傳感結(jié)構(gòu)域和一個保守的發(fā)射結(jié)構(gòu)域，傳感結(jié)構(gòu)域在PFAM中稱為HisKA結(jié)構(gòu)域，通常是化學(xué)配體，一般用于檢測特定的刺激；發(fā)射結(jié)構(gòu)域在PFAM數(shù)據(jù)庫中稱為HAT-Pase＿c結(jié)構(gòu)域，包含一個保守的組氨酸殘基，通過磷酸化將信號傳遞到其同源RR(隨著基因組學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)在細菌、古細菌、真菌和一些植物中鑒定出數(shù)千種不同的HKs。HKs的傳感結(jié)構(gòu)域通常是一種同源二聚體整合膜蛋白，其在兩個跨膜區(qū)之間形成細胞外環(huán)；發(fā)射結(jié)構(gòu)域位于最后一個跨膜區(qū)之后，定位于細胞質(zhì)內(nèi)。此外，還衍生出了其它類型的HKs，其傳感結(jié)構(gòu)域可位于細胞膜或細胞質(zhì)內(nèi)。因此，根據(jù)特定系統(tǒng)的亞細胞定位和檢測到的刺激的性質(zhì)不同，可將傳感結(jié)構(gòu)域分為3類：胞外傳感結(jié)構(gòu)域、膜內(nèi)傳感結(jié)構(gòu)域和胞內(nèi)傳感結(jié)構(gòu)域(圖2)。在8株嗜根考克氏菌中，最常見的胞外傳感結(jié)構(gòu)域是HK5和HK7(圖2a)，可分別感受四碳二羧酸鹽和膜結(jié)合肽聚糖前體脂質(zhì)Ⅱ；而HK4、HK8和HK12的傳感域嵌入膜內(nèi)，由特殊的跨膜螺旋組成(圖2c)。RRs是執(zhí)行特定細胞反應(yīng)以響應(yīng)由HKs檢測到的信號的關(guān)鍵因子，一般由兩部分組成(圖1)。RRs在N端含有一個或多個保守的接受結(jié)構(gòu)域(receiverdomain,REC)，又稱為輸入結(jié)構(gòu)域(Inputdomain)，該結(jié)構(gòu)域的天冬氨酸接收來自HKs的組氨酸上攜帶的磷?；?，從而使TCS的兩種蛋白通過磷酸化反應(yīng)進行交流。此外，大多數(shù)RRs的C端含有一個或多個效應(yīng)結(jié)構(gòu)域(Effectordomain)，最常用作DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子(1.4嗜根考克氏菌中的css近年來，關(guān)于TCSs的功能研究主要集中在大腸桿菌和枯草芽孢桿菌，如調(diào)節(jié)細菌耐藥性、物質(zhì)合成、毒素釋放、群體感應(yīng)和細胞運動等，對嗜根考克氏菌TCSs功能的報道甚少。本研究通過比對嗜根考克氏菌與其他微生物TCS序列的同源性，參考已報道的TCS，在此基礎(chǔ)上預(yù)測了嗜根考克氏菌TCSs的功能(表3)。其中還列出了每對HK/RR在不同基因組注釋中給出的基因位置，同一行的TCS在氨基酸水平上相似度高達90%，功能預(yù)測則以同源性最高且已被鑒定和表征的TCS為基準。嗜根考克氏菌菌株的多樣性決定了其TCSs的多樣性，從不同的嗜根考克氏菌菌株中共檢測到13種TCSs(表3)。盡管不同菌株中有許多類似的TCSs，但它們?nèi)跃哂幸欢ǖ牟町愋?，有些TCSs是某些菌株所特有的，例如：YvfT/YvfU存在于大部分菌株中，而VraS/VraR和KdpD/KdpE只存在于D2中，PhoR/PhoP只存在于P7-4中?？莶菅挎邨U菌的LiaS/LiaR系統(tǒng)還存在第3種蛋白LiaF，它與LiaS/LiaR組成3組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)(目前，已有文獻報道了與嗜根考克氏菌的滲透保護、毒力等功能密切相關(guān)的TCSs，包括可能的MtrA/MtrB(KRH＿08800,08810)和RegX3/SenX3(KRH＿18740,18750)系統(tǒng)(此外，菌株不同，其TCS調(diào)控方式也不一樣。大量文獻表明TCSs可用于正調(diào)控，負調(diào)控的研究相對較少。特別是HKs的磷酸酶活性機制一直是人們長期關(guān)注的問題，而這些信息對于理解細菌生理學(xué)的許多方面非常重要。負調(diào)控通常存在于參與調(diào)節(jié)毒性或抗生素耐藥性的系統(tǒng)中，例如：P7-4中的PhoR/PhoP(2設(shè)置生物組織學(xué)及分子生物學(xué)TCSs是一類廣泛分布于細菌細胞的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)，能感知和響應(yīng)細菌生存環(huán)境的變化?？紤]到大多數(shù)細菌必須感應(yīng)環(huán)境信號的多樣性，單個物種通常編碼數(shù)十個至數(shù)百個獨特的TCSs，每個系統(tǒng)可響應(yīng)不同的刺激并激活不同的細胞反應(yīng)(近年來，一系列生物信息學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究揭示了許多TCSs的分子機制，這些分子機制是揭示HK信號來源和RR作出適當(dāng)反應(yīng)的基礎(chǔ)。與其他研究方法相比，生物信息學(xué)能快速從注釋的細菌基因組中分析、鑒定信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，并提供家族分類、序列特征和功能域位置等信息。嗜根考克氏菌是一種GC含量高達72.1%的土壤放線菌，因其具有獨特細胞包膜特征，不易被有機溶劑引起細胞溶解(3材料和方法3.1序列來源3.2hks和rrs序列的在線比對利用PFAM數(shù)據(jù)庫從本地化的8株嗜根考克氏菌基因組中搜尋可能的HKs和RRs。HKs保守功能域HATPase＿c和RRs保守功能域Response＿reg在PFAM數(shù)據(jù)庫上的編號分別是PF02518和PF00072，然后，將搜尋得到的HKs和RRs序列通過NCBI網(wǎng)站的BLASTp程序進行在線比對并進行手工篩選，確認時遵循以下2項原則：發(fā)射結(jié)構(gòu)域HATPase＿c必須位于HKs的C-末端，其上游包含傳感結(jié)構(gòu)域HisKA；接受結(jié)構(gòu)域則位于RRs的N-末端，而效應(yīng)結(jié)構(gòu)域通常位于RRs的C-末端(HKs的跨膜結(jié)構(gòu)域由TMHMMServer(3.3rrs函數(shù)預(yù)測通過與NCBI數(shù)據(jù)庫中的同源序列比較，并借鑒以往文獻報道的信息，在此基礎(chǔ)上解析各