細菌趨化系統響應不同氧氣濃度的調控機制獲揭示

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近日，中國科學院南海海洋研究所研究員高貝樂團隊研究揭示細菌趨化系統響應不同氧氣濃度的調控機制。他們在空腸彎曲菌中發現了一個新型趨化蛋白CheO，該蛋白在微氧環境下能調節鞭毛馬達的旋轉，對空腸彎曲菌在小鼠腸道中的定殖過程有重要作用。相關研究在線發表于《公共科學圖書館：病原體》（PLOS Pathogens）。

空腸彎曲菌是世界范圍內引起食源性細菌性胃腸炎的最常見誘因，該病原菌在微氧環境下（氧氣含量5%-10%）才能生長以適應腸道中的氧氣限制，同時它也可以在氧濃度較高的環境中存活，以抵抗宿主的氧化攻擊。與其它腸道病原菌相比，空腸彎曲菌具有嚴格的生長和營養需求，但缺乏許多因致病或與宿主相互作用而進化的毒力因子。

空腸彎曲菌的趨化作用在宿主體內的定殖過程中發揮了重要作用，然而目前尚不清楚空腸彎曲菌的趨化系統如何感知和響應環境氧氣變化。此外，空腸彎曲菌中也沒有化學感受蛋白或其他感受蛋白被鑒定為氧濃度感受蛋白，其它趨化調控蛋白在氧濃度波動的環境下是否發揮不同的作用也尚未清楚。

高貝樂團隊前期通過篩選空腸彎曲菌C. jejuni 81-176突變子文庫，發現了一個在彎曲菌門中特有的蛋白CJJ81176_1265。在C. jejuni 81-176中敲除CJJ81176_1265基因后，敲除株在小鼠體內的定殖能力顯著弱于野生型，表明該基因的功能與空腸彎曲菌在小鼠腸道內的定殖有關。后續的突變株表型檢測中發現該敲除株的趨化能力也顯著弱于野生型，隨后對敲除株進行單細胞軌跡追蹤，發現該基因的缺失影響了菌體游動過程中的翻轉頻率。

熒光顯微鏡觀察表明，CheO的定位依賴于趨化蛋白陣列，但獨立于反應調節蛋白CheY。蛋白相互作用實驗證實CheO與趨化系統磷酸激酶CheA、磷酸酶CheZ和鞭毛馬達蛋白FliM、FliY有相互作用。有趣的是，在微氧條件下，CheO定位在細胞極；而在正常氧濃度環境下，CheO蛋白在細菌體內呈現通體分布。而且，CheO的定位依賴于4個能量趨化相關的化學感受蛋白（Aer1, Aer2, Tlp6, Tlp9），因此CJJ81176_1265蛋白被命名為CheO（Chemotaxis protein responding to Oxygen）。

缺少CheO的菌株在低氧環境下運動能力減弱，研究人員對CheO突變株進行抑制子篩選，發現鞭毛馬達蛋白FliM的點突變FliML99F能恢復其運動能力，即FliM的單個殘基變異可以替代CheO蛋白缺失而導致的表型。這些結果表明CheO建立了一條從趨化蛋白陣列到鞭毛馬達的信號旁路，這種條件型激活機制體現了細菌對不同氧濃度的適應性。此外，CheO同源蛋白只存在于彎曲菌門的部分物種中，其同源蛋白在空腸彎曲菌中的表型實驗證實了CheO的同源蛋白均具有趨化調節功能。

綜上，CheO是C. jejuni響應環境氧濃度變化的趨化調控蛋白，促進了微氧環境下的菌體的趨化能力。該研究揭示了空腸彎曲菌對人和動物腸道適應的新策略，深入研究這個非核心趨化信號轉導蛋白的作用機制可揭示C. jejuni不同于其它細菌的趨化信號傳遞模式。