蜡样芽孢杆菌Rex家族阻遏蛋白调控生物膜形成的作用机制

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转录阻遏蛋白Rex在包括枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)、天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)等多种革兰氏阳性细菌内保守存在,通过感知细胞内NAD+/NADH比例反映氧化还原状态,维持细胞内氧化还原平衡。一定条件下,Rex蛋白特异结合存在于目的基因启动子的特定序列(Rex box)-TGTGAAWWWWTTCACA-,调控目的基因的转录,参与细菌的有氧代谢、厌氧代谢、形态分化和次级代谢等多种生理过程。Rex与DNA的结合活性受细胞本身浓度、NADH和NAD+比例的影响。细胞内NADH浓度增加时,抑制Rex与DNA的结合。相反,当NAD+浓度增加时,则促进Rex与DNA的结合。Rex在蜡样芽孢杆菌中是否存在尚未见系统的研究。蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)0-9是一株生防菌,能够在小麦根部定殖,具有良好的环境适应性,可有效防治小麦纹枯病。研究蜡样芽孢杆菌0-9菌株的逆境响应及其调控,有助于揭示该菌株的环境适应机制,提高生防效果。本研究中,利用模式菌株枯草芽孢杆菌Rex蛋白的氨基酸序列,比对蜡样芽孢杆菌0-9基因组的编码序列。发现与蜡样芽孢杆菌0-9基因组中一个假定蛋白的氨基酸序列高度同源,二者的一致性高达78%。通过生物信息学分析表明,二者在分子量、疏水性、亲水性和三维结构等方面高度相似,推测蜡样芽孢杆菌0-9中存在Rex,命名为BcRex。为分析BcRex的特性,在大肠杆菌中超表达和纯化BcRex,利用凝胶迁移电泳(EMSA)测定BcRex与含有Rex蛋白特异结合序列启动子的结合能力,结果显示BcRex能特异结合Rex box序列,且结合活性受Rex蛋白浓度和NAD+/NADH比例影响。在此基础上,利用同源重组方法缺失BcRex蛋白编码基因的突变体,通过转录融合测定含有Rex box启动子在野生型和突变体中的转录活性,结果显示BcRex编码基因缺失后,能显著提高含有Rex box序列启动子的活性。上述结果表明在蜡样芽孢杆菌中存在Rex转录调控因子,该因子通过感应细胞内氧化还原环境的改变对基因表达发挥调控作用。为了揭示转录阻遏蛋白Rex在蜡样芽孢杆菌中的作用,测定了蜡样芽孢杆菌0-9野生型、rex基因缺失菌株和互补菌株的正常生理表型及在不同胁迫条件下的表型变化。结果显示,rex基因缺失后,突变体的芽孢形成率降低45%,生物膜产生下降,对红霉素、氯霉素、卡那霉素、硫酸新霉素、磷霉素、利福平等抗生素,对铜离子、锰离子、镉离子、钴离子等重金属,对H2O2、甲萘醌、次氯酸钠等强氧化物以及对阴离子表面活性剂SDS的敏感性均增强。上述结果暗示,Rex对于蜡样芽孢杆菌胁迫适应发挥多效调控作用。生物膜是由细菌种群包裹在其本身产生的由蛋白质、多糖和DNA组成的胞外基质的一种结构。生物膜形成对于自然状态下细菌的逆境胁迫适应发挥关键作用。rex基因缺失后,突变体形成的生物膜减少,暗示蜡样芽孢杆菌0-9中,Rex对于生物膜形成具有调控作用。为揭示Rex调控生物膜形成的分子机制,通过转录融合比较了rex突变体和蜡样芽孢杆菌0-9中组成生物膜蛋白组分编码基因sipW、calY和tasA的表达。结果显示rex缺失后,上述基因表达量增加,表明Rex不是通过调控生物膜中蛋白质组分发挥作用。同源性比对发现,在蜡样芽孢杆菌0-9基因组中存在金黄色葡萄球菌调控细胞程序性死亡和细胞裂解的lrgB的同源基因,通过转录融合测定rex突变体和野生型蜡样芽孢杆菌0-9中lrgB的基因表达变化,发现rex缺失突变体中,lrgB基因表达显著高于其在蜡样芽孢杆菌0-9中的表达,暗示rex缺失后,其生物膜降低主要是通过上调lrgB起作用。通过构建rex和lrgB双基因突变体,测定双突变体的生物膜形成,显示双突变体的生物膜形成恢复。上述结果表明,在测定条件下,蜡样芽孢杆菌中Rex采取一种双方下注的方式调控生物膜的形成。
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