鼠疫耶尔森氏菌PhoP-RovA-psa转录调控环路研究

【摘要】：鼠疫是由鼠疫耶尔森氏菌(以下简称鼠疫菌)引起的一种自然疫源性疾病。鼠疫菌在传播环节中宿主动物的改变以及致宿主病变的过程中,受到诸多环境信号,比如抗菌肽、温度、pH、渗透压等的刺激,鼠疫菌能感应这种复杂的信号刺激并自我调节,产生毒力因子,最终使鼠疫菌得以存活。鼠疫菌自我调节机制中,转录调控子对靶基因在转录水平上的调节至关重要。PhoP和RovA是鼠疫菌重要的毒力调控因子,pH6抗原是鼠疫菌重要的毒力相关因子,它们之间联系至今并未被阐明。 PhoP是二元调节系统PhoP-PhoQ的调节蛋白,PhoP-PhoQ系统能够感应低Mg2+、微酸性环境以及抗菌肽的刺激信号,从而激活PhoP蛋白的转录调节活性,上调或下调靶基因的转录。本实验室前期研究发现,鼠疫菌PhoP蛋白是整体调控子,表达谱结果表明,在低Mg2+条件下,有706个基因的转录受PhoP的影响,包括pH6抗原基因、PhoP-PhoQ系统及rovA基因。 小肠结肠炎耶尔森氏菌rovA缺失株对小鼠毒力下降,表明RovA是其重要的毒力调控因子。RovA能以二聚化的形式结合到靶基因启动子区调控基因转录,在小肠结肠炎耶尔森氏菌和假结核耶尔森氏菌中,它不仅能激活侵袭因子基因inv的表达,还能激活自身的表达以及其他毒力相关基因的表达。在鼠疫菌中,也有学者进行了RovA的芯片表达谱分析,发现RovA是一个全局性毒力调控因子,能调控数十个基因的表达,包括pH6抗原基因,但是详细调控机制还没见报道。 鼠疫菌pH6抗原由基因簇psaEFABC编码,其中psaABC编码结构亚单位(A)及其伴侣蛋白(B)和膜引领蛋白(C);而psaEF表达产物可能对psaA的转录调控有关。pH6抗原最高表达是在环境pH=6、温度在34℃或更高条件下实现,且只有在34℃以上才能发挥毒力效应。pH6抗原是鼠疫菌的毒力相关因子,与腺鼠疫的发生密切相关。 根据表达谱和生物信息学预测,在转录水平上,PhoP对psaA、psaE、自身操纵子基因以及rovA可能具有调控作用,同时RovA对自身基因及psaA、psaE的转录也可能具有调节作用。本研究的目的在于阐明上述调控子对可能的靶基因的调控机制。 我们基于Red系统分别构建了鼠疫菌phoP和rovA基因的突变株,利用大肠杆菌BL21-DE3的蛋白表达系统分别获得His-PhoP和His-RovA重组蛋白,再利用凝胶阻滞实验(EMSA)、DNaseⅠ足迹实验、β-半乳糖苷酶报告基因融合实验(LacZ实验)以及引物延伸实验等来详细研究PhoP和RovA对各自靶基因的转录调控机制。 实验结果表明:在低Mg2+、对数生长中期条件下,在转录水平上PhoP抑制psaA、psaE、rovA的表达,而激活自身操纵子基因YPO1635、phoP的转录;pH5.8、对数生长中期条件下,在转录水平上PhoP抑制psaA的表达,而对其它所研究基因无影响;在对数生长中期,RovA能激活psaA、psaE以及rovA的转录;在对数生长中期,psaA的转录受酸的调节,pH5.8较pH7.2条件下高表达,但是温度对其无影响。 在rovA基因启动子区发现了两个转录起始位点,分别命名为P1和P2,其中P1靠近翻译起始位点,它的转录启动受PhoP的抑制而受RovA的激活,P2只受RovA的激活而不受PhoP的影响;DNaseⅠ足迹实验表明RovA对自身启动子区有两个亲和力不等的结合位点site1和site2,前者亲和力高于后者,site1位于P2之前,因此我们认为site1控制着P2的转录,site2位于P1之后,推测RovA与site2的结合对rovA的转录具有负反馈调节作用,即RovA的自调控是双重性质的。 在psaE启动子区分别得到了PhoP和RovA的结合位点,并发现了三个距离很近的转录起始位点,PhoP的结合位点几乎覆盖了这三个位点,RovA的结合位点紧挨着PhoP结合位点位于其上游而远离转录起始位点,体内实验也证明,在特定条件下PhoP对psaE转录具有抑制作用,而对rovA具有激活作用。 PhoP和RovA对psaA启动子的结合位点互相重叠,都位于转录起始位点之后,体内实验表明,无论是高Mg~(2+)还是低Mg~(2+)以及酸性环境下,RovA对psaA的转录都具有促进作用,但是在低Mg~(2+)和酸性条件下,PhoP对psaA的调控具有抑制作用,由此可见,PhoP和RovA通过竞争psaA启动子区相同的结合位点,共同调节psaA的转录。 低Mg~(2+)条件下,YPO1635受PhoP的正调控在其它文献资料中已经得到验证,本文也证明了这种调控关系,同时也证明了PhoP确实正调控自身的转录,但是所发现的两个转录起始位点P1和P2,在细菌生长对数中期时只有P2是PhoP依赖性的。 综上,本研究利用分子生化试验手段,首次揭示了鼠疫菌中的PhoP-RovA-psa转录调控环路:RovA正调控psa位点和自身的转录;低Mg~(2+)环境下,PhoP抑制psa位点和rovA的转录,而激活自身操纵子的转录,PhoP也能感应酸性信号,抑制psaA的转录;psaA的转录调节还受酸的调节,pH5.8较pH7.2条件下高表达,但是温度对其无影响。