表面连接分子机制控制着金黄色葡萄球菌的群体感应和生物膜形成机制
原创 发布时间:2022-09-20 浏览次数: 82 来源: 徐天翔

核心提示:细菌使用群体感应机制来进行沟通和将共同的行为协调结合到一起,包括毒力因子的分泌和生物膜的形成。群体感应依赖信号分子(自诱导物)的产生,分泌,积累和群体范围(population-wide detectioin)的检测。


  细菌使用群体感应机制来进行沟通和将共同的行为协调结合到一起,包括毒力因子的分泌和生物膜的形成。群体感应依赖信号分子(自诱导物)的产生,分泌,积累和群体范围(population-wide detectioin)的检测。在这里,研究人员用群体感应操纵分子覆盖表面的概念,作为控制集体行为的一种方法。这篇文章用金黄色葡萄球菌来探讨这个方法。亲和和对抗群体感应分子可以使用点击化学共价连接到表面,在那里保留它们的能力,影响细菌的行为。文章研究了适当定位分子与同源受体相互作用所必需的化合物、连接物和表面的关键特征,以及修饰表面抵抗长期储存、反复感染、宿主血浆成分和流动产生的压力的能力。文章的研究强调了这种表面方法是如何被用来制作抗金黄色葡萄球菌和其他病原体的定植材料的,以及这种方法如何被用来促进细菌在表面的有益行为。

  目前人们对研究操纵群体感应的综合策略非常感兴趣。潜在的应用包括防止生物膜的形成以减少工业中的生物污垢和阻止医学中的复发性疾病,以及抑制毒性因子的产生以限制病原体的传染性。人们还对增强有益细菌群体感应控制行为感兴趣。如,细菌生物膜的形成在废水处理和食品加工中是必不可少的,在微生物群中,共生细菌在抵御入侵病原体方面发挥着作用,可能是依靠群体感应控制策略。在相关的模型系统中,已开发出抵抗和促进群体感应化合物,并显示出良好的应用前景。

  成功施用抵抗和促进群体感应化合物将需要克服障碍

  1.由于化合物的溶解度或稳定性有限,缺乏有效的化合物运输到作用部位

  2.缺乏化合物输送到具有复杂结构的部位

  3.阻力对化学的干扰(例如在早已生成的生物膜中)

  为了避免对化学以及其它疗法出现的问题,在这篇文章中,研究人员对活性群体感应化合物连接在表面的生物医药前景进行研究,这将会对广泛的应用适当得提供特异性靶点。先前的研究包括设计用于快速释放群体感应抑制成分的表面涂层和将二氢吡咯烷酮附着到玻璃表面以抑制细菌粘附。这些早期的研究表明,至少在短期内,这种改性表面可以减少细菌的定植。研究专注于设计用于操纵金黄色葡萄球菌群体感应的表面涂层,其中许多菌株是多药耐药(例如,金黄色葡萄球菌MRSA)。其中Agr群体感应系统在金黄色葡萄球菌的致病性和生物膜形成中起着重要的调节作用。

  金黄色葡萄球菌Agr群体感应是由AIP(自诱导肽)驱动的,AIP由一个硫代内酯环和在N端的环外末端组成。AIP由AgrB和其它蛋白酶对前体肽AgrD进行加工生成和分泌。细胞外的AIP是由细胞外AIP由同源的跨膜结合受体组氨酸激酶AgrC检测,AgrC结合AIP后,自磷酸化并随后将磷酰基导入伴侣反应调节器AgrA中。磷酸化AgrA激活agrP3启动子,驱动RNAIII的转录,RNAIII具有多个功能。RNIII作为一种编码δ毒素的mRNA(一种破坏真核宿主细胞的膜干扰外蛋白),它参与了外毒素分泌和生物膜分解所需的其他基因的调控。

  AIP的检测启动了提高AIP产量的自身诱导正向反馈回路,从而扩大群体感应响应。有四个金黄色葡萄球菌的Agr等位基因突变体 (I to IV),使四种AIPs在一些氨基酸残基上存在差异。AIP激活产生自身的金黄色葡萄球菌细胞的群体感应,并且它们通常抑制异种金黄色葡萄球菌细胞加工不同AIP突变体的群体感应。在文章研究的金黄色葡萄球菌agr-I株中,AIP-I是天然的自诱导物。TrAIP-II是一种截短的AIP-II,其外环末端被乙酰基取代,是四种金黄色葡萄球菌Agr群体感应系统的通用抑制剂。TrAIP II与同源aip竞争绑定到受体上。这篇文章主要关注金黄色葡萄球菌agr-I,因为它拥有全世界医院感染中最普遍的agr类型。研究者使用AIP-I作为自我诱导激动剂,使用TrAIP-II作为竞争性拮抗剂。


  实验结果:a图是金黄色葡萄球菌报告菌株的群体感应调节通路,该突变体菌株自身无法表达AIPs,mkate2(红色)是表达荧光蛋白的基因,GFPmut2基因(绿色)是由sarAP1启动子驱动转录的,GFPmut2的表达与否与外源AIP的存在无关。当GFPmut2和mkate2同时表达时,说明了群体感应进行调控,如果只有GFPmut2的表达,说明群体感应机制处于关闭的状态。

  b图说明外源AIP的加入可以激活群体感应,从而表达出mKate2(红色)荧光蛋白

  c图说明2.5 μM TrAIP-II可以抑制AIP对群体感应的激活,当TrAIP-II浓度降低10倍时,AIP可以激活群体感应表达出mKate荧光蛋白,该浓度下的TrAIP-II无法对AIP进行有效的抑制作用。

  粘附在表面的AIP-1激活群体感应

  研究人员选择叠氮化合物修饰的聚乙二醇(PEG)聚合物作为表面连接物,因为PEG是柔性的、亲水的和非笨重的,并且我们使用玻璃作为模型表面材料。


  a图为对AIP-1分子的修饰以及将AIP-1粘附到表面的过程,(i) AIP-I, (ii) Alkyne-AIP-I, (iii) PEG330-triazole-AIP-I and (iv) Surface-PEG10000-triazole-AIP-I


  图b说明AIP-I、Alkyne-AIP-I 、PEG330-triazole-AIP-I都可以通过AgrC-I受体激活群体感应,图c说明表面结合的AIP-I确实被同源膜结合AgrC-I受体识别为一种自诱导物。 综上,粘附表面的AIP-I可以特异性和可逆性结合AgrC-I受体,表明它作为一个自我诱导功能。

  粘附于表面的TrAIP II抑制群体感应


  a图为对TrAIP-II分子的修饰以及将AIP-1粘附到表面的过程,(i) TrAIP-II, (ii) Alkyne-TrAIP-II, (iii) PEG330-triazole-TrAIP-II and (iv) Surface-PEG10000-triazole-TrAIP-II


  这一结果表明,粘附于表明的TrAIP-II的抑制作用与在溶液中一样具有竞争性。此外,当金黄色葡萄球菌细胞被添加Surface-PEG10000-triazole-Linear-TrAIP-II时,Agr群体感应抑制没有显著发生,证明了对拮抗剂中特定结构元素的要求。

  野生型金黄色葡萄球菌对粘附在表面的群体感应信号分子的应答

  研究人员研究了粘附表面抵抗和促进群体感应分子是否能够在更自然和临床相关的背景下控制金黄色葡萄球菌的行为,金黄色葡萄球菌菌株能够产生AIP-I,而不像上面使用的报告菌株。在本分析中,研究人员将荧光群体感应报告基因引入野生型金黄色葡萄球菌agr-I(RN6390b)和金黄色葡萄球菌MRSA agr-I。在Surface-PEG10000-azide存在的情况下,金黄色葡萄球菌agr-I激活agr群体感应以响应内源性产生的AIP-I的累积。


  金黄色葡萄球菌激活群体感应以应答外源AIP-1信号分子的积累。Surface-PEG10000-triazole-AIP-I 比Surface-PEG10000-azide诱导的早且高,表明金黄色葡萄球菌agr-I对粘附在表面的AIP-I和外源添加的AIP-I都有应答反应。在实验的6h以后The Surface-PEG10000-triazole-TrAIP-II抑制粘附在表面的金黄色葡萄球菌的群体感应。

  结论

  金黄色葡萄球菌中,Agr群体感应激活导致产生一系列毒力因子,这些毒力因子对宿主组织的入侵和传播负有责任。金黄色葡萄球菌的Agr群体感应也激活了生物膜扩散过程。文章已经发现并证明粘附于表面的群体感应信号分子可以成功地用于控制细菌群体感应,这对工业和医学中抗生物污染或抗定植材料的开发具有潜在的意义。可以通过粘附在表面的信号分子激活金黄色葡萄球菌的群体感应,从而加快生物膜的扩散。处于浮游态的细菌对抗生素要敏感,加快细菌生物膜污染的清除,这在将来有很大的应用前景。

  参考文献

  Kim MK, Zhao A, Wang A, Brown ZZ, Muir TW, Stone HA, Bassler BL. Surface-attached molecules control Staphylococcus aureus quorum sensing and biofilm development. Nat Microbiol. 2017 May 22;2:17080. doi: 10.1038/nmicrobiol.2017.80. PMID: 28530651; PMCID: PMC5526357.

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