一、结核分枝杆菌双组分调控系统

双组分调控系统由感应蛋白和反应调控蛋白组成,它们由两个不同的基因编码,这两个基因通常是相邻的并组成一个操纵子。感应蛋白主要是激酶,反应调控蛋白通常是转录激活蛋白。感应蛋白受到外界条件刺激时其组氨酸磷酸转移功能域的组氨酸会发生磷酸化修饰,磷酸基团随后会转移到调控蛋白天冬氨酸残基处,激活调控蛋白调控基因转录功能(图1)[1]。

图1 双组份调控系统示意图

结核分枝杆菌有29个双组分调控系统(Two-component signal transduction systems)相关基因,包括:


这些基因中11组形成完整的两两相邻形成操纵子结构,剩余5个为单独反应调控蛋白基因、2个为组氨酸激酶基因(表1)[1-2]。

这些基因的相关信息可查阅网站

 https://mycobrowser.epfl.ch/

双组分调控系统对结核分枝杆菌感应外界环境至关重要,能够影响结核分枝杆菌的生长、增殖、钾离子吸收、磷吸收、ESX-1分泌系统组成蛋白的分泌等等,不同类型的双组分调控系统发挥的功能也不相同(图2)。目前有些双组分调控系统的具体功能还不清楚,如TcrY/TcrX、PdtaS/PdtaR、Rv0600c(Rv0601c)/tcrA[1]。

图2 双组份调控系统蛋白功能

 

二、PhoPR系统

PhoPR双组分调控系统中PhoR是感应蛋白,PhoP是调控蛋白。研究表明结核分枝杆菌H37Rv菌株中PhoP蛋白219位氨基酸残基为丝氨酸,而结核分枝杆菌H37Ra菌株中PhoP蛋白219位氨基酸残基为亮氨酸。H37Ra菌株中PhoP蛋白突变导致其毒力减弱,感染巨噬细胞、小鼠后生长存在缺陷,将H37Rv来源的PhoP蛋白在H37Ra菌株中表达后H37Ra菌株生长缺陷情况明显改善[3]。PhoP基因突变影响结核分枝杆菌生长及毒力,因此全面了解PhoP调控的相关基因将有助于阐明哪些基因参与结核分枝杆菌的生长及毒力,有助于抗结核药物的研发。

PhoP调控基因转录往往通过与基因的启动子区域DNA结合来完成,而蛋白与启动子的结合可通过EMSA实验进行验证,庞等人通过EMSA实验证明了PhoP-Rv能够与espR的启动子结合。首先通过构建pET757Rv和pET757Ra重组质粒并在大肠杆菌中异源表达、纯化得到PhoP蛋白,同时PCR扩增espR基因的启动子序列并使用32P同位素标记,然后将标记后的DNA与PhoP蛋白孵育并进行PAGE凝胶电泳,实验结果表明PhoP-Rv蛋白能够与espR的启动子区域结合而PhoP-Ra蛋白则不能(图3)[4]。

图3 PhoP-Rv与espR基因启动子结合

 

结核分枝杆菌PhoP基因缺失后影响其生长,在添加高浓度镁离子后可减小影响,而PhoP并不能感知镁离子,表明可能存在相关蛋白参与镁离子的吸收、转运等。对结核分枝杆菌PhoP突变或无镁离子培养后的基因转录水平分析,发现Rv1535、Rv1806基因转录有明显变化,揭示其可能与镁离子吸收、转运或利用相关,但缺乏后续研究证明。早前推测PhoP通过影响结核分枝杆菌细胞壁脂类间接影响了镁离子的吸收[5],PhoP影响与脂类代谢相关的基因有pks2、msl3、whib3等。

这个Whib蛋白家族成员很有趣,可看看《NO:对抗结核分枝杆菌的明星分子》这篇文章。

 

PhoP如何影响结核分枝杆菌毒力,是否与PE、PPE、PE_PGRS不能正常分泌有关?

可参考《Nature Microbiology:PPE38调控PE_PGRS家族蛋白分泌并影响结核分枝杆菌毒力》这篇文章。

 

Phop突变菌株能影响众多基因的转录(表2),表2中显示PE_PGRS41变化了140倍左右,PhoP是否直接调控PE_PGRS41还有待证明。←估计妥妥的被PhoP操纵了!

谢等人的文章Mycobacterium tuberculosis PE_PGRS41 Enhances the Intracellular Survival of M. smegmatis within Macrophages Via Blocking Innate Immunity and Inhibition of Host Defense中报道了PE_PGRS41能抑制巨噬细胞的TNF-α、IL-1β、IL-6等炎症因子的释放并使过表达PE_PGRS41的耻垢分枝杆菌在宿主细胞中愉快的生长[6]。←这应该都是PhoP指使的!

 

三、PhoP调控结核分枝杆菌基因的研究思路

【温馨提示】以上方案仅供参考

 

参考文献

1. The role of two-component systems in the physiology of Mycobacterium tuberculosis. IUBMB Life. 2018 Jun 9.

2. Deciphering the biology of Mycobacterium tuberculosis from the complete genome sequence. Cole ST, Brosch R, Parkhill J, et al. Nature. 1998 Jun 11;393(6685):537-44.

3. PhoP, a key player in Mycobacterium tuberculosis virulence. Ryndak M, Wang S, Smith I. Trends Microbiol. 2008 Nov;16(11):528-34.

4. EspR, a regulator of the ESX-1 secretion system in Mycobacterium tuberculosis, is directly regulated by the two-component systems MprAB and PhoPR. Cao G, Howard ST, Zhang P, Wang X, Chen XL, Samten B, Pang X. Microbiology. 2015 Mar;161(Pt 3):477-89.

5. The Mycobacterium tuberculosis PhoPR two-component system regulates genes essential for virulence and complex lipid biosynthesis. Walters SB, Dubnau E, Kolesnikova I, Laval F, Daffe M, Smith I. Mol Microbiol. 2006 Apr;60(2):312-30.

6. Mycobacterium tuberculosis PE_PGRS41 Enhances the Intracellular Survival of M. smegmatis within Macrophages Via Blocking Innate Immunity and Inhibition of Host Defense. Deng W, Long Q, Zeng J, Li P, Yang W, Chen X, Xie J. Sci Rep. 2017 Apr 25;7:46716.