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细菌中Ⅰ型毒素-抗毒素系统的研究进展
王臣1,2,3,4, 宣劲松1 , 冯银刚2,3,4     
1. 北京科技大学化学与生物工程学院生物科学与工程系,北京 100083;
2. 中国科学院青岛生物能源与过程研究所生物燃料重点实验室,青岛 266101;
3. 中国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛市单细胞油脂工程实验室,青岛 266101;
4. 中国科学院青岛生物能源与过程研究所山东省合成生物学重点实验室,青岛 266101
摘要: 毒素-抗毒素系统是广泛存在于细菌和真菌细胞内的一对小型遗传控制元件,毒素基因编码稳定的蛋白质分子,抗毒素基因编码的则是稳定性较差的蛋白质或者是具有调控功能的RNA.人们对于毒素分子在细胞内的生物靶标、分子结构与功能、体内调节机制等进行了大量的研究,不仅揭示了毒素-抗毒素的生理功能,而且为多种生物技术中的应用提供了新的素材.目前发现共有5大类型的毒素-抗毒素系统,其中Ⅰ型毒素-抗毒素系统的抗毒素分子为调节型RNA,可以通过多种不同途径与毒素蛋白质的mRNAs结合从而中和毒素的细胞毒性.Ⅰ型毒素-抗毒素系统以其独特的调节性RNA的调控方式,成为目前毒素-抗毒素研究中的重要热点.本文将对目前Ⅰ型毒素-抗毒素系统的研究进展进行综述,并对其可能的应用前景进行展望.
关键词: Ⅰ型毒素-抗毒素系统     调节型RNA    
The Progress of Researches on Bacterial Type Ⅰ Toxin-Antitoxin Systems
WANG Chen1,2,3,4 , XUAN Jin-Song1 , FENG Yin-Gang2,3,4     
1. Department of Biological Science and Engineering, School of Chemistry and Biological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ;
2. CAS Key Laboratory of Biofuels, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China ;
3. Qingdao Engineering Laboratory of Single Cell Oil, QingdaoInstitute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China ;
4. Shandong Key Laboratory of Synthetic Biology, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China
*This work was supported by grants from The National Natural Science Foundation of China (31270784, 31300635) and Chinese Government Scholarship (201506465020)
**Corresponding author: XUAN Jin-Song: Tel: 86-10-62334497, E-mail: jsxuan@sas.ustb.edu.cn
FENG Yin-Gang: Tel: 86-532-80662706, E-mail: fengyg@qibebt.ac.cn
Received: July 5, 2016 Accepted: September 27, 2016
Abstract: Toxin-antitoxin (TA) loci encode two-component genetic elements: a stable "toxin" protein and an unstable "antitoxin" (a protein or a regulatory RNA) that neutralizes the toxin action. A lot of researches have been done on the cellular targets of toxins, the molecular structures and biological functions, and the mechanisms of antitoxin actions. The studies not only discovered a multitude of physiology roles of TA systems, but also led to a number of applications for various purposes. Currently, five TA systems have been discovered in countless bacteria and archaea. The antitoxins in type Ⅰ systems are regulatory RNAs which can employ several different modes to counteract toxin proteins and their special RNA regulatory strategies have made type Ⅰ TA systems become a focus of TA researches. Within this review, we will summarize our current knowledge on type Ⅰ TA system and look into the future of their potential applications.
Key words: type Ⅰ toxin-antitoxin system     regulatory RNA    

细胞的死亡调控对于生物体至关重要.真核生物利用程序性细胞死亡调控胚胎的正常发育,保持正常细胞的体内平衡,清除体内由于病毒感染等外因导致损伤的细胞[1].细菌等原核生物需要适应的外界环境更加复杂多变,因此细胞死亡调控对于原核生物种群的维持更为重要.在细菌和古菌细胞内广泛存在有一对毒素-抗毒素基因(toxin-antitoxin,TA),毒素基因编码稳定的蛋白质分子,抗毒素基因编码的则是稳定性较差的蛋白或者是具有调控功能的RNA.毒素蛋白在细胞中过量表达时会导致细胞生长缓慢甚至死亡,抗毒素分子则可以中和毒素对于细胞的毒副作用[2].当出现外界环境胁迫时,这对具有稳定性差异的小型遗传控制元件将被条件性激活,促使细胞进行自我进化和筛选以逐渐适应多变的环境.

自1983年人们在大肠杆菌的F质粒上发现了第一个TA系统——可以通过杀死不含有质粒的后代细胞保证质粒稳定遗传的ccd系统(CcdA和CcdB)以来[3-4],大量的TA系统陆续不断地从不同的细菌、古菌的染色体或质粒上被发现[5-8].近年来,人们还在真核生物单细胞真菌的线性染色体上发现了有助于质粒稳定遗传的类似于TA系统的调控元件[9].迄今为止,人们已经发现了5大类TA系统,它们的毒素分子均为蛋白质,而抗毒素的组成和功能各异,如表 1所示[10]

Table 1 Five types of TA systems 表 1 TA系统的5种类型

最初发现的Ⅰ型TA系统是Escherichia coli R1质粒的hok/Sok和Enterococcus faecalis pAD1质粒上的fst/RNAⅡ[11-12],这些存在于质粒上的TA系统的主要功能是分裂后致死效应(post-segregational killing systems,PSK),阻止质粒在后代细胞中发生丢失[13].随后人们在革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的染色体上陆续又发现了大量Ⅰ型毒素-抗毒素系统,其中一些与hok/Sok或fst/RNAⅡ同源[8].此外人们利用生物信息学的方法在774个细菌基因组中又搜索获得了大量新型的Ⅰ型TA系统,其中大部分同样存在于染色体上,但是这些染色体上编码的TA系统的生物学功能至今尚不明确[8]

长期以来,蛋白质一直被认为是基因调控的主力军,而RNA只是遗传信息传递的载体.但是近20年来,具有调控作用的RNA陆续被发现,开始迎来一个新的RNA调控时代.下面我们将对抗毒素为调控型RNA分子的Ⅰ型毒素-抗毒素系统的研究进展加以介绍.

1 Ⅰ型毒素-抗毒素系统中抗毒素分子sRNA的作用机制

破译TA系统中毒素分子的功能和生物靶标对于帮助我们理解TA系统在生物体内的地位具有重要的意义.在正常生长的细胞中,Ⅰ类TA系统中的毒素蛋白和抗毒素蛋白均为组成型转录,不断产生的抗毒素sRNA(small RNA)通过多种不同的机制与不断转录得到的毒素mRNA发生不可逆的相互结合,从而中和毒素的细胞毒性.

典型的Ⅰ型TA系统中编码毒素蛋白的基因通常与编码抗毒素sRNA的基因位置相邻、方向相反、存在基因重叠现象,例如hok/Sok,这种抗毒素分子属于cis-encoded sRNA;但是有些Ⅰ型TA系统中的毒素基因和抗毒素基因也会相互独立存在,例如tisB/IstR1系统(tisB,toxicity induced by SOS;IstR1,Inhibitor of SOS-induced toxicity by RNA),属于trans-encoded sRNA[14-16].大多数毒素mRNA的翻译既需要其核糖体结合位点折叠成相应的高级结构以助于与核糖体结合,同时还需要其他辅助因子或者基因的参与,因此抗毒素可以通过多种途径直接或间接地阻止毒素mRNA的翻译,抑制毒素的合成.人们根据Ⅰ型TA系统中sRNA作用于毒素mRNA位点的不同将Ⅰ型TA系统划分为6类(表 2)[17]

Table 2 Six different mechanisms of type Ⅰ sRNA antitoxin acti 表 2 型抗毒素sRNA分子的6种作用机制

a.抗毒素sRNA直接与毒素分子mRNA的核糖体结合位点(ribosome binding site,RBS)结合[18]symE/SymR系统是位于E.coli染色体上的TA系统,它的毒素蛋白SymE比较大,有113个氨基酸,且不是疏水性蛋白,因此并不是典型的Ⅰ型TA系统[18].抗毒素symR sRNA通过与毒素基因symE的起始密码子及前面的RBS互补结合直接阻止了毒素蛋白的表达.伴随着symR启动子的突变,symE mRNA水平会随之增长,同时SymE蛋白表达量增至原来的7倍,进一步证明了SymR可以影响symE的翻译,但不影响其稳定性.

b.抗毒素sRNA抑制毒素蛋白翻译所需的前导多肽的翻译[19-20].在E.coli hok/Sok系统中,毒素蛋白hok基因自身很难直接进行翻译,需要先合成前导多肽Mok[21].而抗毒素Sok通过与Mok的Shine Dalgarno (SD)序列进行结合,从而间接抑制了hok mRNA的翻译.与此类似的还有ldr2/Rdl系统[20]

c.抗毒素sRNA通过与毒素分子mRNA的ribosome standby site(RSS)结合抑制毒素蛋白的翻译[16]E.coli染色体上的tisB/IstR1系统是第一个被发现可以由SOS反应介导的Ⅰ型TA系统.tisB、IstR1共享一个参与SOS反应的LexA结合位点,并从相反的方向分别被编码.毒素基因tisB有3种均含有tisB ORF的不同形式的mRNA:+1 mRNA、+42 mRNA、+106 mRNA,其中只有+42 mRNA具有生物活性[22].+42 mRNA的5′端距tisB ORF上游约100 nt处,有一段mRNA的非特异性序列RSS(ribosome standby site)可以起始毒素蛋白TisB的翻译,而抗毒素IstR1 sRNA也正是通过与这段RSS序列结合抑制了毒素基因tisB mRNA的翻译[16, 23].利用这一机制抑制毒素蛋白合成的TA系统还有shoB/OhsC、zorO/OrzO、dinQ/AgrAB和bsrE/SR5[24-25]

d.促进毒素mRNA的降解.首个在Bacillus subtilis中发现的Ⅰ型TA系统tpxA/RatA的抗毒素RatA(RNA antitoxin A)sRNA与毒素基因tpxA(toxic peptide A)mRNA间约有75 nt的重叠区域,但是这段重叠区域并非位于毒素mRNA的编码区或者翻译起始区,所以抗毒素sRNA不是通过抑制txpA的翻译来阻止TxpA蛋白合成的.进一步的体外实验表明txpA mRNA与RatA能够通过发生相互作用形成RNase Ⅲ的切割位点,而ratA基因的敲除会导致txpA mRNA水平的增加,这些结果均表明抗毒素sRNA是通过与毒素蛋白mRNA结合促使其降解,从而抑制毒素蛋白的合成[26-27]

e.抗毒素sRNA既能抑制毒素mRNA的翻译,又能促进其降解.2013年,Jahn和Brantl[23]B.subtilis中首次发现了双管齐下抑制细胞内毒素合成的抗毒素分子SR4,它既可以阻止毒素蛋白基因bsrG mRNA的翻译,同时还会加速其降解.此外,bsrG/SR4系统也是第一个被发现的热敏感Ⅰ型TA系统[28].与tpxA/RatA系统类似,抗毒素SR4 sRNA通过与毒素蛋白mRNA 3′端互补的~120 bp序列发生结合,在bsrG mRNA的第185位形成RNase Ⅲ酶切位点,促进毒素bsrG mRNA的降解[29].此外,复合物的晶体结构显示SR4 sRNA与bsrG mRNA的结合还会使得核糖体结合位点(RBS)得以隐藏,阻止核糖体结合,从而进一步从翻译水平阻碍毒素蛋白的合成[28]

以上这些抗毒素sRNA与毒素mRNA的结合均是只通过一段互补区域实现的.

f.抗毒素sRNA通过增加毒素mRNA的稳定性抑制毒素mRNA的翻译.En. faecalis质粒pDA1上fst/RNAⅡ系统是在革兰氏阳性菌发现的第一个可以稳定质粒的TA系统,并且其抗毒素RNAⅡ与毒素基因fst mRNA RNAⅠ在多个不同的区域存在相互作用[30-31].RNAⅠ、RNAⅡ的3′端有共同的双向终止序列(~35 nt),同时在5′端都存在有2个正向重复序列direct repeats(DRa和DRb),这3个区域都暴露在RNA茎环的外侧,形成了特殊的抑制方式——RNAⅡ同时与毒素蛋白mRNA RNAⅠ的5′端和3′端发生结合.进一步的突变体研究显示,RNAⅠ/RNAⅡ相互作用至少需要两个步骤:首先RNAⅠ/RNAⅡ的3′端初步相互作用,使得RNAⅠ、RNAⅡ的5′端相互靠近;然后RNAⅡ 5′端的2个正向重复序列分别与RNAⅠ的5′端相互配对形成稳定的RNAⅠ/RNAⅡ复合物.如果敲除RNAⅠ的5′端,RNAⅠ/RNAⅡ复合体无法形成,突变体毒素基因的翻译效率将是野生型fst的300倍,进一步说明RNAⅡ通过5′端重复序列与RNAⅠ相互作用抑制了Fst蛋白的表达.只是RNAⅡ与RNAⅠ形成复合物后,并没有像tpxA/RatA、bsrG/SR4系统那样促进毒素mRNA的降解,反而增强了毒素RNAⅠ(半衰期由原来的9 min增加到40 min)、抗毒素RNAⅡ(半衰期由原来的4 min增加到16 min)的稳定性,这可能是因为RNAⅠ/ RNAⅡ复合体中5′端的配对导致了RNaseV1在36~39 nt酶切位点的消失所致[30].与此相似的家族还有E.coli中的ibs/Sib家族,抗毒素Sib可以识别和结合ibs mRNA中的2个区域TRD1和TRD2(target recognition domains)来抑制毒素基因ibs的翻译[32-33]

随着越来越多的Ⅰ类TA系统的涌现,人们也发现了一些新型的抗毒素sRNA抑制毒素蛋白质合成的方式.例如E.coli rac噬菌体中的ralR/RalA系统,抗毒素RalA功能的实现需要有分子伴侣Hfq的辅助[34],这可能是因为ralR mRNA、RalA之间互补序列过短的原因(16 nt),但是人们尚不清楚分子伴侣具体的作用机制是促进ralR/RalA复合物的形成、还是影响RNA分子的稳定性或是其他.ralR/RalA系统是到目前为止唯一发现的需Hfq辅助的Ⅰ型TA系统,但是不能排除生物体中还存在有其他参与RNA互补序列较短的毒素-抗毒素系统调节的RNA结合蛋白.

2 Ⅰ型毒素-抗毒素系统中毒素蛋白的作用机制及其结构基础

在Ⅰ型TA中,除了SymE和RalR毒素蛋白,所有的Ⅰ型毒素都具有比较典型的共同特征:它们为20~65个氨基酸的小型疏水多肽,分子质量较小,其二级结构中含有一个α螺旋结构的跨膜结构域,可能定位于细胞内膜[35-37],通过类似噬菌体holins的作用机制破环细胞膜形成孔状结构,造成膜电位的破环,从而抑制ATP的合成[35, 38].但是人们对于这些毒素蛋白的作用机制和细胞内的生物靶标依然知之甚少,因为在很多的细胞体系中抗毒素基因的敲除并不会直接导致细胞表现型的变化,因此很难从细胞水平确定毒素蛋白的生物学效应.目前多数的实验数据来自于毒素基因的过表达实验,并且结果显示大多数的毒素会导致细胞的死亡.

2.1 Ⅰ型TA系统中毒素蛋白的作用机制

hokrelFsrnBpndAfstibsCshoBtisBdinQ等毒素基因的表达会导致膜电位或者膜自身的破坏[11, 24, 35, 39-40].考虑到这些毒素蛋白的疏水特性及其与噬菌体holins[41]、抗菌多肽[42]的相似性,它们的这种生物学效应并不令人惊讶[35].位于E. coli pR1上的毒素基因hok过量表达时会导致“幽灵”细胞的形成,这些细胞两端凝集、中部清澈,最终死亡,人们推测这是由于Hok蛋白引发了细胞膜不可逆的损伤所致[11].编码于pAD1上的毒素蛋白Fst的毒性不具有宿主特异性,不仅对自身宿主En. faecalis有毒性,而且对于其他的菌株如B. subtilisS. aureusE. coli也具有毒害作用[40, 43-44], 最基本的细胞学效应是导致细菌拟核区的浓缩聚集,引发细胞分裂缺陷如子代细胞中基因组DNA的缺失;此外Fst还会导致细胞膜上需能转运泵的上调和细胞膜通透性的增加.与Fst同源的编码于染色体上的毒素蛋白LdrD能够引发细菌染色体快速凝集,抑制所有基因的翻译,并且最新的研究表明LdrD可能还影响ATP的合成,可能也与其定位于细胞膜上有关[45-46]

毒素蛋白可能参与环境胁迫的响应,tisBdinQsymE等毒素基因会在SOS胁迫响应下被诱导发生基因的转录.TisB蛋白的作用靶标是E.coli的细胞内膜,它的过表达会导致膜极性降低、胞内ATP水平下降、DNA的复制等大分子合成关闭,最终致使细胞死亡[38, 47]E.coli染色体上编码的毒素蛋白DinQ功能与TisB类似,并且它还参与影响基因重组等细胞膜依赖过程[24]

与其他Ⅰ型毒素蛋白不同,E.coli中SOS诱导表达的毒素蛋白SymE是一个含有113个氨基酸的非疏水性蛋白,具有核酸酶活性,可能与环境胁迫下损伤RNA的循环再利用有关[18].SymE在生物学功能上类似AbrB折叠蛋白家族中的Ⅱ型TA系统的抗毒素MazE,具有转录调节作用,并且JPRED结构预测显示SymE蛋白折叠状况与AbrB一致,是迄今发现的第一个具有抗毒素AbrB结构的毒素[18].另一方面,SymE也具有和Ⅱ型毒素MazF相似的功能:剪切RNA核糖体、促进mRNA和除自身抗毒素SymR以外的非编码sRNA的降解[18]

2014年,在E.coli rac噬菌体中发现的Ⅰ型毒素蛋白RalR是首个具有非特异性DNA内切酶功能的毒素,可能定位于细胞质中,既可以剪切甲基化的DNA也可以剪切非甲基化DNA[34]

除了具有细胞内毒性,有些Ⅰ型毒素蛋白还具有类似于抗菌肽的细胞外毒性.S.aureus中的Ⅰ型毒素蛋白SprA1属于fst家族蛋白,它不仅对于自身宿主细胞具有毒害作用[8],而且可以作为毒素杀死共同培养的其他细菌及溶解人类血红细胞,而这一对抗其他细胞类型的特性可能有助于自身宿主细胞的存活[48]

由此可见,除了SymE和RalR毒素蛋白具有核酸酶活性外,其他的Ⅰ型毒素均以细胞膜为共同的作用靶标,但是不排除随着更多的Ⅰ型毒素被发现,人们还会发现具有其他作用机制的毒素蛋白.

2.2 Ⅰ型TA系统中毒素蛋白的分子结构

为了能够更好地理解Ⅰ型毒素的生物学功能,人们也正在试图通过各种方法获得它们的原子级分辨率的分子结构.但是由于Ⅰ型毒素蛋白分子质量小、疏水性强、溶解性差,因此在结构研究中存在有很多困难,而且相对于其他类型的毒素-抗毒素系统中的蛋白质分子的结构研究要滞后很多.比如在Ⅱ型毒素-抗毒素系统中,人们不仅已经得到了大量毒素蛋白和抗毒素蛋白的结构(Ccd、Kid、MazE等)[49-52],获得了毒素-靶标复合物(CcdB-GyrA14)[53]、毒素-抗毒素复合物(MazE/MazF、RelB/RelE)的结构[54-55],甚至还获得了毒素-抗毒素-DNA复合物(FitA/FitB-DNA)的结构[56].相比之下,迄今为止只有两种Ⅰ型毒素蛋白的结构被报导:Fst和PepA1,它们在氨基酸一级序列上没有同源性,但是在结构上却十分相似.

Fst是位于革兰氏阳性菌Enterococcus faecalis pAD1质粒上的par毒素-抗毒素系统中的Ⅰ型毒素蛋白,含有33个氨基酸,疏水性很强,不溶于水,但是可溶于细胞质膜类似物(membrane mimetics)DPC-d38.Gশbl等[36]利用核磁共振的方法获得了Fst蛋白的分子结构,其主要是α螺旋(Fst5-26),C端的7个氨基酸则处于完全无序的状态,顺磁驰豫增强PRE(paramagnetic relaxation enhancements)实验显示Fst蛋白直接插入脂质双分子层,α螺旋形成跨膜结构,而N端2个氨基酸和C端7个氨基酸均伸出脂质双分子层外,其中C端伸向细胞质内.体外的功能实验结果显示Fst不具有之前预测的抗菌肽类似功能,也不具有溶血特性和细胞毒性,这可能也与其C端的特征结构有关.Fst的作用靶标可能位于细胞质内,通过C端与特异的细胞膜结合靶标相互作用参与抑制细胞内大分子的生物合成.Fst通过锚定在细胞膜上有助于其快速筛选靶标分子,而C端的无序性结构则给其与靶标分子的结合带来了更多的便利[36]

PepA1是位于S.aureus细胞膜上的Ⅰ型毒素蛋白,含有30个氨基酸,具有不连续的螺旋结构.但是当其插入细胞膜内时,其蛋白结构通过压缩变为与细胞膜上其他孔道形成多肽类似的可延伸的、连续螺旋结构,并通过在膜上形成孔道改变细胞膜的完整性,最终引发细胞的死亡.核磁共振和分子动力学研究表明,PepA1虽然与Fst相似主要为螺旋结构,但是在结构和功能上依然有很大的差别.Fst不含半胱氨酸,而PepA1含有1个半胱氨酸,可以形成灵活的铰链结构,采用不连续的螺旋结构并通过分子间二硫键形成双体构成兼性多肽所特有的支架,方便其压缩形成具有弹性的螺旋结构插入细胞膜内(图 1).与Fst具有柔性C端不同,PepA1的N端处于无序状态并且对环境非常敏感,其C端却富含精氨酸并具有有序的结构,可能与细胞膜上的甘油分子的阴离子基团发生相互作用.也正是由于结构上的差异使得PepA1具有与Fst不同的生物学功能,PepA1具有细胞毒性,能够通过在细胞膜上形成空洞破坏红细胞及其宿主菌S.aureus的细胞膜,最终导致细胞发生类似凋亡的过程[37]

Fig. 1 Molecular dynamics simulation of Fst and PepA1 insertion into cell membrane 图 1 细胞膜脂双层中的Fst、PepA1分子结构模拟 (a)细胞膜脂双层中的Fst分子结构模拟,红色表示负电荷区域,蓝色表示正电荷区域,绿色表示极性区域包括甘氨酸,白色表示非极性区域,蓝色球表示磷脂分子的头部[36]. (b)细胞膜脂双层中的PepA1分子结构模拟,红色和白色为水分子,绿色为DPPC脂肪链,蓝色为细胞膜脂双层中的PepA1分子.内图中,绿色为插入细胞膜前的PepA1分子结构,蓝色为插入细胞膜后的PepA1分子结构[37].

在目前已经确定的Ⅰ型毒素分子中大多功能尚不明确,通过解析毒素蛋白的分子结构揭开毒素在细菌生长、扩增和感染过程中的作用将是一个巨大的挑战.

3 Ⅰ型毒素-抗毒素系统的生理功能

质粒编码的Ⅰ型TA系统的生物学功能十分显著:它们是PSK系统,当子代细胞中的质粒发生丢失后,半衰期较短的抗毒素分子快速降解,毒素蛋白的表达不再受到抑制,最后导致质粒缺失的子代细胞死亡,从而保证质粒在子代细胞中的稳定遗传,比如E.coli中的hok/Sok系统和En.faecalis中的fst/RNAⅡ系统[19, 57-58]

然而,染色体上编码的Ⅰ型TA系统,包括hok/Sok和fst/RNAⅡ的同源系统,它们的生物学功能尚不清楚.研究表明染色体编码的Ⅱ型TA系统能够帮助细胞进入休眠状态,度过环境胁迫期[59].迄今在染色体编码的Ⅰ型TA系统中只发现E.coli中的tisB/IstR1具有类似的生物学功能[60].在逆境中,TisB毒素蛋白的SOS诱导表达可以显著地提高休眠细胞对于环丙沙星的耐受能力,如果敲除tisB/IstR1基因对则会造成细胞休眠能力的明显下降[60-61]Streptococcus mutans染色体上编码的fst-Sm/SrSm TA系统也具有类似的提高细胞休眠能力的生物学功能[62]

虽然E.coli中的dinQ/AgrB与tisB/IstR1有很多相似之处,但是dinQ/AgrB TA系统却具有稳定染色体的功能,而未发现具有促进细胞休眠的功能.agrB基因敲除实验显示毒素蛋白表达量升高、染色体的同源重组频率降低,但不影响大肠杆菌间的转导[24]

最新发现的ralR/RalA系统具有抵抗磷霉素攻击细胞壁的功能[34],而含有具RNAase活性毒素的symE/SymR系统则可能有助于宿主细胞抵御RNA噬菌体的侵入[20]

B.subtilis中的许多毒素基因(txpAyonTbsrGbsrEbsrH)定位于原噬菌体或原噬菌体类似区域,它们可能具有与E.coli中质粒编码的TA系统PSK类似的生物学功能,可以稳定这些遗传元件在细胞中的存在[63],如txpA/RatA可以稳定skin元件的存在,该元件在细胞孢子发生过程中通过DNA重排从基因组中切除,这种切除能够确保控制母细胞特异性基因表达的转录因子基因sigK,在孢子发生的后期重新发挥功能.并且这些TA系统能够在代谢胁迫或氧胁迫下被诱导启动,相应的毒素基因txpAyonTbsrGbsrH表达量随之升高,发挥抑菌作用降低细胞对于营养或氧气的需求,从而促进细胞对于胁迫环境的适应[64],其中bsrG的表达还受到温度的影响,高温时(48℃或55℃)bsrG mRNA会快速降解[65]

4 Ⅰ型毒素-抗毒素系统的应用及展望

目前对于Ⅰ型TA系统最直接的应用就是利用它们稳定染色体外遗传物质的功能.染色体外质粒的扩增或是基因的表达会给细胞带来一定的生理负担,由此常常发生质粒的丢失或者基因表达效率降低[66].质粒上的抗生素标记有助于质粒的稳定存在,但是当难以找到合适的抗生素标记时,Ⅰ型TA系统不失为一种很好的选择,它同样可以有助于质粒的稳定遗传[67]

TA系统条件性诱导表达的特点还可以用于有效地控制实验室细胞污染问题.将Ⅰ型毒素基因构建于酵母菌株内的葡萄糖阻遏操纵子下,当酵母生长于葡萄糖培养基中,组成型表达的抗毒素能够保证细胞的正常生长;而当酵母细胞从发酵罐中意外逃逸时,毒素蛋白的表达将被外界环境中的低葡萄糖浓度诱导启动,从而导致细胞的“自我毁灭”[68].

Ⅰ型毒素-抗毒素系统中毒素蛋白的可控表达、特异性地影响部分个体的生存状态可能是TA元件在细菌和古菌中广泛存在的主要原因,但是由于Ⅰ型毒素蛋白分子质量小、具有疏水特性,Ⅰ型抗毒素sRNA半衰期短、较难操作等特点,到目前为止人们对于Ⅰ型TA系统的了解依然十分有限.随着对于该领域研究的进一步深入,不可排除人们还会发现新型的Ⅰ型TA元件,而对于它们毒素作用机理的揭示也必将有助于我们更全面地理解毒素-抗毒素系统在细菌和古菌生理过程中扮演的多元化角色.已有文献报道,TA系统可以被改造用来开发合成生物学的特殊元件、开发新的抗菌策略、甚至在真核生物中用于消除特定类型细胞、抵抗病毒和癌症治疗等[69-72].虽然这些应用多采用研究较为透彻的Ⅱ型TA系统,但随着对Ⅰ型TA研究的深入,其基于RNA的调控方式必将具有更加广泛的应用前景.

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中国科学院生物物理研究所和中国生物物理学会共同主办
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文章信息

王臣, 宣劲松, 冯银刚
WANG Chen, XUAN Jin-Song, FENG Yin-Gang
细菌中Ⅰ型毒素-抗毒素系统的研究进展
The Progress of Researches on Bacterial Type Ⅰ Toxin-Antitoxin Systems
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Progress in Biochemistry and Biophysics, 2016, 43(10): 952-961
http://dx.doi.org/10.16476/j.pibb.2016.0217

文章历史

收稿日期: 2016-07-05
接受日期: 2016-09-27

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