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微生物技术国家重点实验室在生物被膜耐药机制方面取得突破性研究成果

发布日期:2018年07月14日 08:06 点击次数:

[本站讯]近日,微生物技术国家重点实验室的研究成果“BrlR from Pseudomonas aeruginosa is a receptor for both cyclic di-GMP and pyocyanin”在Nature Communications上发表(Nature Communications, 2018, 9(1):2563)。微生物技术国家重点实验室博士研究生王峰与何青为论文并列第一作者,重点实验室谷立川教授和胡玮教授为论文的共同通讯作者,山东大学微生物技术国家重点实验室为论文唯一作者单位。

在自然条件下,细菌能够附着在物体表面形成高度结构化和群落化的生物被膜(biofilms)。与浮游生长相比,生物被膜中的细胞可调整生理代谢、信号应答、抗逆性状和和发育动力学等过程,使其变成有别于单细胞状态的群落化的“高等”生物。作为原核生物首选的具有保护性的生存方式,生物被膜不但对于细菌在环境中的存活至关重要,还在许多感染性疾病中扮演了重要角色。已有的研究表明,大约80%的人类细菌性感染与生物被膜形成有关;更为严重的是,细菌一旦形成生物被膜,其抗生素耐药性可以增加10-1000倍,对相关疾病的治疗造成了极大挑战。作为研究生物被膜的重要模式菌株,铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)具有典型的生物被膜形成能力并导致了极强的耐药性,对人类健康具有重大威胁,因此被世界卫生组织(WHO)列为一级风险耐药菌株。

已有的研究表明,第二信使分子c-di-GMP在调控铜绿假单胞菌中生物被膜发育过程中发挥着核心作用,并且还可以通过激活其受体转录因子BrlR上调药物外排泵的表达,从而进一步增强其耐药性,但具体分子机制尚不明确。同时,绿脓菌素是铜绿假单胞菌分泌的标志性荧光化合物,也是铜绿假单胞菌之所以得名的原因。长期以来人们认识到绿脓菌素与其致病性具有密切关系,并且同样可以调控生物被膜的发育以及药物外排泵的表达,但对于其信号通路知之甚少。谷立川教授领导的科研小组在与胡玮教授在合作研究c-di-GMP与其受体BrlR的相互作用时,通过结构生物学实验发现c-di-GMP结合在与预期位点完全不同的地方,进而推测该位点的空腔可能结合另一种信号分子。利用一系列的微生物学和生物化学手段,课题组证明了绿脓菌素可以结合在这一预期位点并且调控药物外排泵的表达。这一研究首次鉴定了细胞内绿脓菌素的受体蛋白,并且证明了BrlR也可以作为c-di-GMP的受体,同时响应两种信号分子上调细菌的耐药性,从而通过BrlR蛋白将绿脓杆菌形成生物被膜过程中的两个重要信号调控途径建立起了重要的物理关联。更为重要的是,针对细菌生物被膜的形成过程与耐药基因表达上调总是同时出现的生理现象,作者基于以上发现提出了导致这种现象的可能原因。在开放水体环境中可能同时存在抗生素生产者以及抗生素耐药微生物,但是在这种情况下,微生物分泌的抗生素会被迅速稀释,很难达到有效的抑菌/杀菌浓度。在生物被膜中,由于微生物聚集在一起并被高度结构化的胞外基质包裹,抗生素可以在局部达到较高的浓度威胁其它微生物。具备抗生素生产能力的微生物可以通过分泌抗生素来获得竞争优势,从而倾向于上调抗生素合成基因的表达。同时,其它微生物则必须高效获取/启动相关耐药基因的表达才可以生存。这一假说对于新型抗生素的发现以及开发针对耐药菌株的新型药物以及治疗方法均具有重要的理论指导意义。

该研究课题得到了国家973计划(2015CB150600)、国家自然科学基金(31470732, 31370110)和山东省重点研发计划(2017JHZ009)的资助。谷立川教授领导的科研小组长期从事耐药性细菌生物被膜相关分子机制的研究工作,在本领域发表了一系列高水平的研究论文(AEM 2018, Biochem J 2018, Acta Cryst D 2017, JBC 2016, Sci Rep 2016, Environ Micro 2016, Protein Cell 2016, Cell Research 2015, JSB 2015),已经成为我国生物被膜研究的中坚力量。


相关链接:BrlR from Pseudomonas aeruginosa is a receptor for both cyclic di-GMP and pyocyanin


【供稿单位:微生物研究院    作者:谷立川 胡玮    摄影:谷立川         编辑:新闻中心总编室    责任编辑:王莉莉  】

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