生命科学技术学院董涛团队解析细菌Ⅵ型分泌系统调控新机制
发布时间 :2021-06-15  阅读次数 :620

近日,上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室董涛团队揭示了细菌如何通过感应T6SS内管蛋白在胞内的积累量,实现对T6SS表达和活性的精准调控。相关研究成果以“Sensing of intracellular Hcp Levels controls T6SS expression in Vibrio cholerae”为题发表于PNAS杂志。上海交通大学博士研究生李浩和裴同同为文章的共同作者,董涛与哈佛大学J. Mekalanos为共同通讯作者。

 

本研究关注的是细菌细胞内的“拥堵”现象。日常生活中我们经常遇到堵车,有时由于事故等突发情况会造成数十公里的拥堵,然后会有交通管理人员进行疏导。如果我们将微观世界里细菌中的蛋白运输系统看作是一个繁忙的高速公路,其运输的蛋白是一个个行驶的车辆,那么如果这个系统堵上了,作为单细胞生物的细菌是否能够感知运输蛋白在体内的过度积累并进行应对和疏导呢?

论文具体研究的是细菌Ⅵ型分泌系统(T6SS),它是一种广泛存在于革兰氏阴性致病菌的针状“武器”。在环境中,拥有T6SS的细菌可以通过直接接触的方式,将不同毒性或功能的效应蛋白注射到周边其他微生物或真核宿主体内。每次分泌可以将上千个蛋白弹射出去,而新一轮的分泌需要蛋白的重新合成。如果分泌系统出现问题,分泌蛋白会在细胞内大量积累,形成“拥堵”现象,这不仅损耗大量能量,还可能因为毒素蛋白的积累对细胞造成损伤。本研究所发现的感应胞内蛋白积累的调控机制,可以减少蛋白的无效合成并优化分泌效率。

本研究以条件致病菌霍乱弧菌V52的T6SS为研究对象,发现在T6SS失活突变株中,被分泌的内管蛋白表达量被抑制,而可循环利用的外管组分的表达不受影响。通过体内体外实验相结合,作者发现,调控因子VasH不仅能够通过与关键启动子区域结合,激活分泌蛋白基因hcp的转录,还能够与Hcp蛋白直接结合,实现反馈抑制。因此,当T6SS的结构遭到破坏或分泌发生异常时,VasH通过感应胞内Hcp的水平,抑制hcp的持续表达,从而避免其过量积累。类似的调控机制也在其他的霍乱弧菌菌株以及铜绿假单胞菌和气单胞菌等致病菌中得到了验证。

微生物广泛存在于多种复杂环境。之前的研究发现T6SS基因簇的转录受多种环境因素,如温度、渗透压以及群体感应的影响。而本研究发现T6SS的活性还与其自身组件的供应和需求紧密联系在一起。在低能量环境中,T6SS的装配循环过程很可能受到限制,而这种机制允许细胞改变自身hcp表达量,以满足较低的T6SS组装和发射要求。此外,当菌株处于T6SS功能受抑制的环境中,这种反馈机制也有利于提高微生物对于逆境的适应度。这一发现深化了领域内对于T6SS调控机制的理解,也揭示了细菌对胞内特定蛋白的积累的感知和调节机制,体现出巧妙的疏导“拥堵”的功能。

 

图:霍乱弧菌Hcp负反馈调节模型

该研究获国家自然科学基金委(31770082, 32030001)等项目的支持。

文章链接: https://doi.org/10.1073/pnas.2104813118