分枝杆菌血管性血友病因子结构域蛋白MSMEG3641参与生物膜形成与胞内存活

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由单一病原菌结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis,Mtb)感染导致的结核病是世界十大死因之一,2018年全球约有10,000,000人患结核病,124万人死于结核病。结核分枝杆菌除主要感染人类肺部,也可感染脑膜、肠道等其他组织器官。世界范围内约有1/4的人携带结核分枝杆菌而具有患结核病的风险。同时,耐药结核菌的出现给临床结核病的医治带来更大的挑战。2018年全球约有5000万新发利福平耐药结核病的病例,其中78%为多耐药结核病,而中国约占14%,成为仅次于印度(27%)的全球耐药结核病负担大国。细菌生物膜是指细菌被自身分泌的胞外基质(extracellular polymeric substances,EPS)包裹而形成的复杂结构,EPS主要由多糖、蛋白质、DNA等成分组成。生物膜的形成可以使细菌通过降低代谢活性、形成持留菌、阻止抗菌剂进入细菌内部而获得药物抗性。生物膜的形成受到细菌体内多种代谢的调控,其中细胞壁相关成分与生物膜的形成密切相关,例如肽聚糖的合成、糖肽脂的合成、脂肪酸的合成和细菌的菌毛等;细菌的群体感应系统、毒素-抗毒素和众多的转录调控因子也都可以调控生物膜的形成。干扰细菌生物膜形成过程的任何阶段和破坏细菌细胞壁上的重要成分都能够影响其生物膜的形成。血管性血友病因子(von Willebrand factor)最早在凝血蛋白中被发现。含有血管性血友病因子A型(von Willebrand factor type A,vWA)结构域的蛋白参与多种生理途径,例如膜系统的形成、细胞迁移、分化、粘附、信号转导、肿瘤恶性转化等。vWA与配体的结合主要是由金属离子依赖的粘附位点介导的。真核生物的vWA结构域与原核生物同源,但是在原核生物中,vWA结构域仅有少数研究。含有vWA结构域的PilY1能够通过感应表面接触诱导铜绿假单胞菌的毒力;粪肠球菌的菌毛蛋白能够改变细菌的毒力也是通过vWA结构域诱导的。因此关于原核生物中的vWA结构域的研究显得尤为重要。细菌细胞壁成分的改变通常能够引起其菌落形态发生改变,而细胞壁成分与生物膜形成、细菌持留、耐药等密切相关。我们的目的在于筛选并研究未被报道过的能够影响细菌生物膜形成和细菌耐药的关键因子,以期为生物膜的形成和细菌耐药提供新的见解。耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)是研究分枝杆菌的良好模式菌株,本文我们利用耻垢分枝杆菌建立的转座子插入突变库对菌落形态变化的菌株进行筛选,并成功筛选到一株菌落形态发生改变的菌株。通过PCR与测序鉴定,我们确定该突变菌株的转座子插入位点位于基因MSMEG3641的第208和209位核苷酸之间;对其保守结构域进行分析,我们发现MSMEG3641含有保守的vWA结构域,同时含有金属离子依赖的结合位点;进一步对其跨膜结构域分析,我们发现该蛋白具有一个很强的跨膜结构域;同时通过体外生物膜培养,我们发现该突变菌株的生物膜形成能力明显下降;通过细菌迁移实验我们发现该突变菌株的滑动能力明显减弱。亚细胞定位实验提示该蛋白位于细菌的表面,细胞透性实验表明该蛋白的突变能够明显增强细菌对荧光染料溴化乙啶的透性;通过测量细菌悬浮液透光率我们发现该蛋白突变能降低响细菌与细菌之间的聚集。通过诺氟沙星诱导的持留菌形成实验我们发现该蛋白突变导致细菌对诺氟沙星更加敏感,并且能够降低细菌形成持留菌的能力。通过侵染THP-1诱导的巨噬细胞,我们发现该突变菌株侵染巨噬细胞的能力明显减弱、并且在巨噬细胞中的存活能力显著降低。同时通过脂肪酸敏感性实验,我们推测该蛋白可能通过乙醛酸循环影响细菌的脂肪酸代谢从而导致细胞壁发生结构性变化。综上,我们发现耻垢分枝杆菌vWA蛋白MSMEG3641能够改变细菌细胞壁结构并且影响细菌持留菌的形成和其在巨噬细胞内的存活。本研究拓宽了vWA蛋白在原核生物中的研究范围,为细菌生物膜的形成的提供了新的见解,为细菌耐药机制以及抗菌药物的研发提供新的思路。
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