Nat Microbiol：趋化性和自诱导剂-2信号介导定植，并有助于大肠杆菌菌株在小鼠肠道共存

背景

趋化作用允许活动的细菌在化学梯度中导航。虽然这是一种昂贵的细胞行为，但趋化作用通过增加对营养和能量来源的获取，为细菌提供了生理优势。此外，它有助于自由生活和宿主相关细菌(包括植物和人类病原体)的检测和定植有益的生态位。在后一种情况下，一些感知到的化合物可能在宿主体内充当定位线索，即使它们缺乏直接的代谢值。这些包括激素、神经递质、酸和其他化合物。然而，尽管人们对多种细菌的趋化系统的机制有了越来越多的了解，趋化系统的生态作用却很少受到关注。趋化的生理重要性仍然没有被完全理解，即使是对于已经建立的模式生物，如大肠杆菌。据我们所知，只有一项研究解决了这一问题，发现大肠杆菌F-18的肠道定植既不需要动力，也不需要趋化。然而，该品系在小鼠大肠生长期间失去了动力，这与flhDC操纵子的调节区突变相关。除了导致鞭毛的丢失，这些突变进一步导致有益的多效代谢作用，使我们无法得出任何关于趋化在运动大肠杆菌中的作用的结论。

简介

2023年1月9日，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的Leanid Laganenka及其团队在Nat Microbiol (IF: 30.964)杂志上发表名为Chemotaxis and autoinducer-2 signalling mediate colonization and contribute to co-existence of Escherichia coli strains in the murine gut的研究[1]。

主要结果

趋化性使大肠杆菌具有体内适应性

为了评估趋化作用在大肠杆菌肠道定植中的作用，我们将大肠杆菌Z1331野生型 (WT)菌株及其非趋化性ΔcheY衍生物 (图1a)的1:1混合物感染经氨苄西林预处理的特异性无病原体 (SPF)小鼠。我们选择WT大肠杆菌分离株而不是经典的K-12实验室菌株，因为实验室培养衍生的突变累积可能会导致肠道定植期间适应性的总体丧失，从而影响本研究的生理相关性。由于SPF小鼠通常对大肠杆菌定植有抗性，因此需要通过抗生素预处理来短暂抑制肠道内的微生物群，从而实现肠道内大肠埃希菌定植。大肠杆菌定植水平和WT和ΔcheY菌株的相对适应度是通过在72小时内不同时间点收集的粪便的差异平板来确定的。大肠杆菌Z1331在8小时内定植于小鼠肠道。以每克粪便约109个菌落形成单位 (c.f.u.)的密度，并在整个实验过程中保持携带能力。在以1∶1接种物进行的竞争性感染中，ΔcheY敲除 (KO)细胞始终比WT菌株高出多达50倍，这表明大肠杆菌Z1331成功的肠道定植需要趋化性 (图1b)。

图1. 趋化性为大肠杆菌在竞争性小鼠感染中具有适应性优势

果糖赖氨酸的利用依赖于AI-2的趋化性

当AI-2作为唯一碳源时，大肠杆菌菌株通常表现出较差或无生长。虽然观察到的大肠杆菌Z1331细胞在肠道中的聚集可能本身是有益的，但我们旨在进一步解读大肠杆菌如何在体内受益于AI-2趋化性。我们推断，lsr阳性的大肠杆菌菌株，通过达到各自的生态位，可能受益于利用生态位特异性的营养。因此，当比较大肠杆菌基因组时，lsr操纵子可能表现出与负责利用生态位特异性营养的基因共出现的模式。为了探索这一问题，我们从一个高质量的基因组集合中下载了10146个大肠杆菌和志贺菌基因组及其基因。为了确定可能与lsr操纵子连接的已知基因和通路，我们对收集的这些基因进行了再处理，以获得在47种不同的大肠杆菌和志贺菌谱系中具有已知功能的所有基因的基因频率。分析产生了168个基因的列表，这些基因的存在与lsrB相关。有趣的是，在这些相关的基因中有一些属于frl操纵子，这是果糖赖氨酸利用所必需的。果糖赖氨酸是葡萄糖与伯胺非酶反应的Amadori产物，在包括小鼠食物在内的热加工食品中含量非常丰富。

我们以完全相反的方式比较了所有47个谱系的系统发育相关性，以及功能相似性 (基于具有已知功能的共享注释基因的比例)。除了既往观察到的lsrB和frlA基因的相关性之外，我们由此可以表明，同时拥有lsrB和frlA的谱系在进化距离和功能相似性方面都密切相关。当将这些谱系与既不编码这两种基因也不编码这两种基因的其他谱系进行比较时，相反的趋势很明显，例如，它们在系统发育相关性和功能相似性方面的差异要大得多 (图3)。

图3. 大肠杆菌基因组中lsrB/lsrG和lsrB/frlA基因的共现分析

果糖赖氨酸的利用抑制lsr操纵子的表达

由于果糖赖氨酸和AI-2的趋化反应是直接相关的，我们进一步旨在了解自身产生的AI-2和果糖赖氨酸代谢之间的联系。我们假设果糖赖氨酸的摄取和代谢可能影响lsr操纵子的活性。向指数增长的大肠杆菌Z1331培养物中添加1%的果糖赖氨酸导致lsr操纵子表达减少，并且观察到的抑制作用不依赖于果糖赖氨酸 (ΔfrlA)或AI-2 (ΔlsrB)输入 (图6a)。在磷酸转移酶系统 (PTS)缺陷的ΔptsI KO菌株中，没有检测到lsr操纵子活性的抑制，尽管在lsr表达的背景水平降低。已知lsr操纵子的表达受分解代谢抑制的调节，从而通过cAMP及其受体cAMP-受体蛋白 (CRP)介导的PTS抑制其对糖输入的表达。这表明，虽然frl操纵子编码果糖糖赖氨酸的输入，但果糖糖赖氨酸可能部分通过PTS输入，或其摄取间接影响PTS的活性，类似于其他几种非糖碳源。事实上，添加果糖赖氨酸后，FrlR失活导致的fr1操纵子表达解抑制仅在ΔptsI背景中检测到 (图6b)。这表明通过与PTS和FrlR的果糖赖氨酸相互作用，对fr1操纵子活性有一种相当非常规的双重调节。与crp介导的frl操纵子活性调节一致，我们在WT和果糖赖氨酸输入缺陷的ΔfrlA菌株中观察到，在葡萄糖 (一种已知的PTS底物)和果糖赖氨酸存在的情况下，frlA启动子活性降低。在这一点上，需要进一步研究来阐明果糖赖氨酸和PTS之间的相互作用模式 (图6d)。除了CRP介导的对frl操纵子的分解代谢抑制外，通过PTS磷酸载体蛋白HPr的非磷酸化形式也可能直接抑制果糖赖氨酸激酶FrlR。在lsr操纵子中，未磷酸化的HPr可以抑制AI-2激酶LsrK。

图6. 果糖赖氨酸对大肠杆菌Z1331中lsr和frl操纵子表达的影响

结论及展望

细菌在种内和种间水平上通过产生和感知称为自动诱导因子的多种细胞外小分子来交流和协调它们的行为。自动诱导因子2 (AI-2)由多种细菌产生并检测到，在种间交流和趋化中发挥重要作用。虽然AI-2是哺乳动物肠道中存在的主要自身诱导分子，并且可以影响小鼠肠道微生物群的组成，但其在肠道定植期间细菌-细菌和细菌-宿主相互作用中的作用仍不清楚。将C57BL/6小鼠中的竞争性感染与显微镜检查和生物信息学方法相结合，我们表明趋化性 (cheY)和AI-2信号 (通过lsrB)会促进大肠杆菌的肠道定植，而大肠杆菌的肠道定植又与细菌利用果糖赖氨酸 (frl操纵子)的能力有关。我们进一步表明，与AI-2信号通路相关的大肠杆菌菌株的基因组多样性允许哺乳动物肠道中不同大肠杆菌菌株的生态位分离和稳定共存。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41564-022-01286-7

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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