双组分信号转导系统在细菌感知和响应环境中的应用

双组分信号转导系统在细菌感知和响应环境中的应用

细菌是地球上的普通生物。它具有最大的能力，适应性最强。在长期的进化过程中，细菌已经发展出多种机制(例如信号转导)以响应环境变化。双组分信号转导系统(two-componentsystem,TCS)是细菌中第一种被鉴定的主要信号转导机制(嗜根考克氏菌(Kocuriarhizophila)是一种最早从狭叶香蒲的根际分离到(目前，关于嗜根考克氏菌的TCSs研究甚少，仅在DC2201菌株中有报道(1结果与分析1.1嗜根考克氏菌的基因组信息自基因组学革命开始以来，已经测序的细菌基因组超过20000个(/)。嗜根考克氏菌作为一种新近发现的细菌群，目前只有少量的基因组信息可用，本研究列举了8株嗜根考克氏菌基因组的一般特征(表1)，它们都是由一条长度大于2.6Mb的单个环状染色体组成，平均G+C含量高于70%。除14ASP外，其他菌株所含的基因与其编码的蛋白数量差异较小。此外，相比于其他放线菌而言，嗜根考克氏菌的基因组相对较小，表明它能高度适应自身的生态位(1.2嗜根考克氏菌中的ts基因根据PFAM数据库中的HK和RR结构域信息对8株嗜根考克氏菌基因组中的TCSs进行了预测，并通过与NCBI数据库中其他序列比对，确定TCS、孤儿HK和孤儿RR的数目。结果表明，嗜根考克氏菌的TCSs基因至少在21个以上，其中TCS、孤儿HK和孤儿RR的平均数目分别是5.25对、7个和8.5个，不存在杂合子(表2)。不同的菌株之间，其TCSs蛋白分布也不一样，最多的是DC2201和FDAAR-GOS＿302，成对的TCS有8个；最少的是14ASP，成对的TCS只有2个(表3)。文献研究表明，大多数细菌编码几十个TCSs以响应环境中的各种信号(1.3嗜根考克氏菌的传感结构域典型的TCS通常由一个HK和一个RR组成，它们在大多数情况下具有转录调控作用。通过TM-HMMServer、PFAM和NCBI等数据库的分析，本研究对13对TCSs的结构域组成和分布进行了分析(表3;图1)。由此可见，HKs和RRs都是模块化蛋白质。一个典型的HK包含一个可变传感结构域和一个保守的发射结构域，传感结构域在PFAM中称为HisKA结构域，通常是化学配体，一般用于检测特定的刺激；发射结构域在PFAM数据库中称为HAT-Pase＿c结构域，包含一个保守的组氨酸残基，通过磷酸化将信号传递到其同源RR(随着基因组学的发展，已经在细菌、古细菌、真菌和一些植物中鉴定出数千种不同的HKs。HKs的传感结构域通常是一种同源二聚体整合膜蛋白，其在两个跨膜区之间形成细胞外环；发射结构域位于最后一个跨膜区之后，定位于细胞质内。此外，还衍生出了其它类型的HKs，其传感结构域可位于细胞膜或细胞质内。因此，根据特定系统的亚细胞定位和检测到的刺激的性质不同，可将传感结构域分为3类：胞外传感结构域、膜内传感结构域和胞内传感结构域(图2)。在8株嗜根考克氏菌中，最常见的胞外传感结构域是HK5和HK7(图2a)，可分别感受四碳二羧酸盐和膜结合肽聚糖前体脂质Ⅱ；而HK4、HK8和HK12的传感域嵌入膜内，由特殊的跨膜螺旋组成(图2c)。RRs是执行特定细胞反应以响应由HKs检测到的信号的关键因子，一般由两部分组成(图1)。RRs在N端含有一个或多个保守的接受结构域(receiverdomain,REC)，又称为输入结构域(Inputdomain)，该结构域的天冬氨酸接收来自HKs的组氨酸上携带的磷酰基，从而使TCS的两种蛋白通过磷酸化反应进行交流。此外，大多数RRs的C端含有一个或多个效应结构域(Effectordomain)，最常用作DNA结合转录因子(1.4嗜根考克氏菌中的css近年来，关于TCSs的功能研究主要集中在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌，如调节细菌耐药性、物质合成、毒素释放、群体感应和细胞运动等，对嗜根考克氏菌TCSs功能的报道甚少。本研究通过比对嗜根考克氏菌与其他微生物TCS序列的同源性，参考已报道的TCS，在此基础上预测了嗜根考克氏菌TCSs的功能(表3)。其中还列出了每对HK/RR在不同基因组注释中给出的基因位置，同一行的TCS在氨基酸水平上相似度高达90%，功能预测则以同源性最高且已被鉴定和表征的TCS为基准。嗜根考克氏菌菌株的多样性决定了其TCSs的多样性，从不同的嗜根考克氏菌菌株中共检测到13种TCSs(表3)。尽管不同菌株中有许多类似的TCSs，但它们仍具有一定的差异性，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。枯草芽孢杆菌的LiaS/LiaR系统还存在第3种蛋白LiaF，它与LiaS/LiaR组成3组分信号转导系统(目前，已有文献报道了与嗜根考克氏菌的渗透保护、毒力等功能密切相关的TCSs，包括可能的MtrA/MtrB(KRH＿08800,08810)和RegX3/SenX3(KRH＿18740,18750)系统(此外，菌株不同，其TCS调控方式也不一样。大量文献表明TCSs可用于正调控，负调控的研究相对较少。特别是HKs的磷酸酶活性机制一直是人们长期关注的问题，而这些信息对于理解细菌生理学的许多方面非常重要。负调控通常存在于参与调节毒性或抗生素耐药性的系统中，例如：P7-4中的PhoR/PhoP(2设置生物组织学及分子生物学TCSs是一类广泛分布于细菌细胞的信号传导系统，能感知和响应细菌生存环境的变化。考虑到大多数细菌必须感应环境信号的多样性，单个物种通常编码数十个至数百个独特的TCSs，每个系统可响应不同的刺激并激活不同的细胞反应(近年来，一系列生物信息学、遗传学、生物化学和结构生物学的研究揭示了许多TCSs的分子机制，这些分子机制是揭示HK信号来源和RR作出适当反应的基础。与其他研究方法相比，生物信息学能快速从注释的细菌基因组中分析、鉴定信号转导分子，并提供家族分类、序列特征和功能域位置等信息。嗜根考克氏菌是一种GC含量高达72.1%的土壤放线菌，因其具有独特细胞包膜特征，不易被有机溶剂引起细胞溶解(3材料和方法3.1序列来源3.2hks和rrs序列的在线比对利用PFAM数据库从本地化的8株嗜根考克氏菌基因组中搜寻可能的HKs和RRs。HKs保守功能域HATPase＿c和RRs保守功能域Response＿reg在PFAM数据库上的编号分别是PF02518和PF00072，然后，将搜寻得到的HKs和RRs序列通过NCBI网站的BLASTp程序进行在线比对并进行手工筛选，确认时遵循以下2项原则：发射结构域HATPase＿c必须位于HKs的C-末端，其上游包含传感结构域HisKA；接受结构域则位于RRs的N-末端，而效应结构域通常位于RRs的C-末端(HKs的跨膜结构域由TMHMMServer(3.3rrs函数预测通过与NCBI数据库中的同源序列比较，并借鉴以往文献报道的信息，在此基础上解析各