结核分枝杆菌感染宿主后,面对宿主强大的免疫系统,可以通过DosS/DosR双组分调控系统调节自身代谢,在宿主细胞内“睡着了”,以逸待劳,等待免疫系统抵抗能力降低时对宿主发动猛烈攻击。

低氧、NO、CO等能促使DosS/DosR调控结核分枝杆菌在宿主内潜伏,那么这些因素如何影响DosS/DosR调控结核分枝杆菌代谢呢?今天我们先看看低氧、NO、CO如何调控结核分枝杆菌DosS/DosR。

 

一、DosR的发现

DosR参与结核分枝杆菌休眠是通过经典的反向遗传学研究发现的。最初研究人员将BCG菌株进行低氧条件培养,通过分析培养后的蛋白质组学研究发现Rv3133c、Rv2031c、Rv2623、Rv2626c蛋白表达量升高;Rv3133c基因功能缺失后,低氧条件培养下的结核分枝杆菌数量明显减少,基于此种现象,研究人员将Rv3133c命名为DosR(dormancy survival regulator)。Rv3133c还被称为devR,这是为什么呢?这得从结核分枝杆菌基因组基因功能解读说起。1998年Cole等对结核分枝杆菌基因组功能解读的时候,通过生物信息学分析认为Rv3133c是一种反应调控蛋白(response regulator),具体功能不清楚。后来Dasgupta等人寻找结核分枝杆菌H37Rv菌株与H37Ra菌株中表达不同的基因,发现Rv3133c表达明显不同,故而将Rv3133c命名为devR(differentially expressed in the virulent strain)[1]。DosR、devR都是Rv3133c,不同的文章中都有用,但是DosR相对比较常见。

 

二、低氧、NO、CO使结核分枝杆菌休眠

低氧、NO、CO能使结核分枝杆菌休眠,DosR对该过程至关重要,DosR作为双组分调控系统的反应调控蛋白具体调控结核分枝杆菌哪些基因的转录呢?

Martin I. Voskuil等人在低氧或含NO的培养条件下对结核分枝杆菌进行培养,培养一段时间后提取RNA,并用基因芯片进行转录检测,发现48个基因转录水平升高[2]。Ashwani Kumar等人在含CO的培养条件下培养野生型结核分枝杆菌及dosR基因敲除菌株,后同样用基因芯片对转录情况进行检测,得到了与Martin I. Voskuil等人类似的研究结果[3]。

低氧、NO对结核分枝杆菌DosR调控基因转录影响

 

CO对DosR调控基因转录影响

 

三、低氧、NO、CO对DosR的调控

低氧、NO、CO能够影响DosR及其调控基因,那么三者是如何影响DosR的呢?DosS(DosT)/DosR是双组分调控系统,DosR为反应调控蛋白,DosS或DosT为感应蛋白,低氧、NO、CO对DosR的调控离不开DosS或DosT。

双组分调控系统,可参考这篇文章:《结核分枝杆菌PhoPR双组分调控系统的相关基因要敲敲看吗?》

DosS也称为DevS,是结核分枝杆菌中一种能结合铁元素的感应蛋白。Alexandra Ioanoviciu等人采用UV-visible及共振拉曼光谱(resonance Raman spectroscopy)发现DosS蛋白N端GAF-A能够结合Fe(II)-O2、Fe(II)-CO、Fe-NO并调控下游DosR[4]。NO、CO随时可能替代氧气并与DosS结合,促使结核分枝杆菌进入休眠期。

铁元素功能真是强大,人体含铁元素的血红蛋白能够运输氧气等气体,怪不得在结核分枝杆菌中能感知NO、O2、CO等气体,结核分枝杆菌中的另外一种含铁元素的WhiB蛋白家族记得看看:《NO:对抗结核分枝杆菌的明星分子》

另外维生素C、营养不良等都能使结核分枝杆菌休眠,DosS/DosR是否参与这些过程还不清楚,也许促使结核分枝杆菌休眠的还有其他信号途径。

维生素C促使结核分枝杆菌休眠的可能机制模式图

 

四、结核分枝杆菌休眠研究中的研究问题

1.DosR调控的48个已报道基因中哪些对结核分枝杆菌休眠至关重要;
2.除了已知的48个基因被DosR调控,是否还有其他基因也被DosR调控;
3.富氧对结核分枝杆菌DosR及其调控基因的影响;
4.DosR对结核分枝杆菌能量代谢、脂类代谢相关基因等的影响(结核分枝杆菌休眠过程中,能量代谢水平降低,需要事先积累脂类物质);
5.DosR乙酰化及去乙酰化修饰等相关蛋白研究(乙酰化修饰也是一个研究方向);

后续将继续讲诉DosR的其他相关研究,记得关注!

参考文献

1. Boon C, Dick T. How Mycobacterium tuberculosis goes to sleep: the dormancy survival regulator DosR a decade later. Future Microbiol. 2012 Apr;7(4):513-8.

2. Voskuil MI, Schnappinger D, Visconti KC, Harrell MI, Dolganov GM, Sherman DR, Schoolnik GK. Inhibition of respiration by nitric oxide induces a Mycobacterium tuberculosis dormancy program. J Exp Med. 2003 Sep 1;198(5):705-13.

3. Kumar A, Deshane JS, Crossman DK, Bolisetty S, Yan BS, Kramnik I, Agarwal A, Steyn AJ. Heme oxygenase-1-derived carbon monoxide induces the Mycobacterium tuberculosis dormancy regulon. J Biol Chem. 2008 Jun 27;283(26):18032-9.

4. Ioanoviciu A, Yukl ET, Moënne-Loccoz P, de Montellano PR. DevS, a heme-containing two-component oxygen sensor of Mycobacterium tuberculosis. Biochemistry. 2007 Apr 10;46(14):4250-60.