转录因子MpbR驱动的结核分枝杆菌脂质生物合成调控及病原-宿主相互作用研究

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结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)是引起人和动物结核病的一种重要胞内致病菌。它具有独特的囊膜结构,囊膜中的脂质组分对结核分枝杆菌识别及侵染宿主吞噬细胞、逃避宿主免疫系统杀伤、适应宿主内环境压力等诸多方面有重要影响。磷脂酰肌醇甘露糖(PIMs)及其衍生物作为囊膜脂质结构的重要组成成分能介导结核分枝杆菌与宿主的互作,调节宿主的免疫应答。但是,关于这些特殊脂质组分的生物合成调控通路及其对结核分枝杆菌在宿主内毒力的影响目前还知之甚少。本研究首先利用耻垢分枝杆菌作为模式菌株系统筛选和发现了一个分枝杆菌中保守的PIMs生物合成相关的转录调控因子Mpb R,在此基础上进一步解析了其调节结核分枝杆菌PIMs生物合成的通路,阐明了这种脂质代谢调控对结核分枝杆菌逃避宿主免疫抑制的影响。主要结果如下:(1)文库筛选发现了一个调控分枝杆菌菌落表面形态和生物被膜形成的转录因子Mpb R。利用TM4噬菌体侵染实验,成功构建了包含有约30,000个耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)转座子插入突变体的文库。通过观察突变体菌株的单菌落形态,分离获得了180个菌落表面变平滑的突变体。其中,mpb R编码一个假想的转录调节因子,在结核分枝杆菌及耻垢分枝杆菌等多种分枝杆菌中序列高度保守,Mpb R明显影响分枝杆菌的菌落形态、显著促进生物被膜的形成。(2)Mpb R的两个靶转运蛋白基因Mra1696/97抑制分枝杆菌生物被膜的形成。通过细菌转录组学实验,发现Mpb R作为一个抑制子负调节其所在操纵子中两个转运相关基因(Mra1696和Mra1697)的表达。电泳迁移率阻滞实验及DNA足迹实验表明,Mpb R特异性结合Mra1697启动子区的44-bp回文序列。细菌单杂交及染色质免疫沉淀实验证明,Mpb R在结核分枝杆菌内特异性结合Mra1697的启动子。q RT-PCR及β-半乳糖苷酶活性实验进一步证明,Mpb R负调控Mra1696/97基因的表达。生物被膜培养实验发现,Mra1696/97抑制分枝杆菌生物被膜的形成。(3)Mpb R通过Mra1696/97调控Ac1PIM2及Ac2PIM2的积累。通过细菌脂质组学比较结核分枝杆菌重组菌株脂质组分差异发现,过表达mpb R或敲除Mra1696/97基因,显著抑制结核分枝杆菌中两种酰基化PIM(Ac1PIM2及Ac2PIM2)等脂质的积累;相反,敲除mpb R或过表达Mra1696/97基因,则促进结核分枝杆菌中Ac1PIM2及Ac2PIM2等脂质的积累。Mpb R可能通过负调节Mra1696/97的表达,抑制结核分枝杆菌中Ac1PIM2及Ac2PIM2等脂质的积累。(4)Mpb R驱动的脂质代谢显著影响结核分枝杆菌诱发的宿主细胞免疫反应。转录组学比较分析mpb R和Mra1696/97敲除结核分枝杆菌感染的巨噬细胞基因表达差异发现,Mpb R抑制被感染的巨噬细胞中Il1b、Ccl2及Nos2等免疫相关基因的表达。细胞因子定量分析发现,Mpb R介导的脂质调控抑制巨噬细胞IL-1β、IL-6及MCP-1等炎症细胞因子的分泌。与野生型菌株相比,mpb R超表达菌株的感染显著降低巨噬细胞内活性氧(ROS)及NO的产生,明显抑制巨噬细胞的凋亡。(5)Mpb R的调控显著促进结核分枝杆菌在宿主体内的存活。利用两个巨噬细胞模型,通过感染实验比较mpb R超表达和敲除菌株发现:Mpb R促进结核分枝杆菌在巨噬细胞内的存活。进一步,通过感染小鼠实验发现:与敲除菌株相比,Mpb R表达有利于分枝杆菌在小鼠肺部的存活并诱发更严重的肺组织炎症病变。综上所述,本研究鉴定了一个分枝杆菌PIM生物合成的调控蛋白Mpb R,它能负调节两个转运蛋白基因的表达,降低结核分枝杆菌中Ac1PIM2和Ac2PIM2等脂质的积累,促进分枝杆菌生物被膜的形成。在结核分枝杆菌感染过程中,Mpb R抑制巨噬细胞分泌炎症细胞因子,抑制巨噬细胞内ROS及NO的产生,抑制巨噬细胞凋亡,最终增加结核分枝杆菌在巨噬细胞及小鼠内的存活。这些工作为揭示结核分枝杆菌脂质代谢调控通路及致病机制提供了新的证据。
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