Cross Talk between Chemosensory Pathways That Modulate Chemotaxis and Biofilm Formation
调控趋化性与生物膜形成的化学感应通路间的交叉通话
来源：mBio, Volume 10, Issue 1, 2019, e02876-18
《mBio》，2019年，第10卷，第1期，文章编号e02876-18
摘要
细菌中复杂的化学感应系统可调控趋化性、基因表达与细胞周期等多种生物学功能，多数细菌基因组包含多个化学感应系统，但它们之间的相互作用机制尚不明确。本研究以睾丸酮丛毛单胞菌为对象，揭示了两条分别调控趋化性与生物膜形成的化学感应通路间存在交叉通话，发现部分调控趋化性的化学受体同样参与生物膜形成，且可与两条通路的组分发生物理相互作用；趋化性组氨酸激酶CheA不仅能磷酸化同源应答调控蛋白CheY，还可磷酸化生物膜形成通路中的应答调控蛋白FlmD，且CheA向CheY的磷酸基团转移速率远快于向FlmD的转移速率，与趋化性为快速响应、生物膜形成为缓慢发育过程的特性相符。研究表明两条化学感应通路间的交叉通话可参与协调细菌复杂行为。
关键词
睾丸酮丛毛单胞菌；生物膜；化学受体；趋化性；磷酸转移；信号转导
研究目的
揭示睾丸酮丛毛单胞菌中调控趋化性与生物膜形成的两条化学感应通路间的交叉通话机制，明确化学受体与组氨酸激酶在通路互作中的功能，阐明通路交叉调控细菌两种生存行为的分子基础。
研究思路
以睾丸酮丛毛单胞菌CNB-1为研究对象，通过基因组分析鉴定出Che与Flm两条化学感应通路；构建通路基因缺失与回补突变株，结合趋化性、生物膜形成、颤动 motility 表型实验明确通路功能；利用细菌双杂交系统检测通路蛋白间的物理相互作用；通过体外磷酸转移实验分析CheA对不同应答调控蛋白的磷酸化效率；结合基因回补与表型验证，解析通路交叉通话对生物膜形成的调控效应。
研究亮点
1. 首次发现睾丸酮丛毛单胞菌中Che与Flm两条化学感应通路间存在直接交叉通话。
2. 证实趋化性相关化学受体可与生物膜通路蛋白发生物理互作，实现信号共享。
3. 揭示组氨酸激酶CheA可跨通路磷酸化生物膜调控蛋白FlmD，且磷酸转移速率具有时序差异。
4. 提出化学感应通路交叉通话可协调细菌趋化运动与生物膜定植两种生存策略。
可延伸的方向
1. 解析FlmD调控生物膜形成的下游靶基因与分子机制。
2. 探究环境信号如何通过化学受体动态调控两条通路的交叉通话强度。
3. 拓展至其他环境细菌，验证化学感应通路交叉通话的普遍性。
4. 结合结构生物学解析CheA磷酸化FlmD的分子识别基础。
5. 研究通路交叉通话对污水环境中细菌定植与污染物降解能力的影响。
测量的数据及研究意义
1. 测量了不同突变株的生物膜形成量（结晶紫染色法检测OD590），数据来自图1、图2、图5，用于明确Flm通路各组分及Che通路关键蛋白对生物膜形成的调控作用。
2. 测量了不同突变株的趋化能力（半固体平板趋化圈），用于确定Che通路为趋化性主通路，Flm通路不参与趋化调控。
3. 测量了体外磷酸转移效率（放射性自显影与灰度定量），数据来自图4，用于揭示CheA对CheY1、CheY2、FlmD的磷酸化速率与特异性。
4. 测量了细菌双杂交系统的生长情况，数据来自图3，用于证明化学受体与Che、Flm通路蛋白存在物理相互作用。
5. 测量了共聚焦激光扫描显微镜下生物膜厚度与结构，数据来自图2，用于直观验证化学受体对生物膜结构与形成的影响。
6. 测量了不同配体处理下的生物膜形成量，数据来自图2，用于证明趋化性配体可通过对应受体促进生物膜形成。
结论
1. 睾丸酮丛毛单胞菌的Che通路负责调控趋化性，Flm通路负责调控生物膜形成，两条通路功能分工明确。
2. 7种化学受体同时参与趋化性与生物膜形成调控，可与Che和Flm通路的激酶、接头蛋白发生物理互作。
3. CheA可将磷酸基团转移至CheY1、CheY2与FlmD，对CheY1的磷酸化速率远快于FlmD，实现快慢响应的时序调控。
4. 磷酸化的FlmD作为负调控因子抑制生物膜形成，CheA可通过磷酸化FlmD参与生物膜调控，构成通路交叉通话。
5. 化学感应通路间的交叉通话可协调细菌趋化运动与生物膜定植行为，帮助细菌适应环境变化。
使用芬兰Bioscreen仪器测量数据的研究意义
本研究使用芬兰Bioscreen C全自动生长曲线分析系统测定不同菌株在基本培养基中的OD600值，实时监测菌体生长情况，数据用于排除生长速率差异对趋化性与生物膜表型的干扰，确保突变株的表型差异由基因功能而非生长缺陷导致；该仪器实现高通量、高精度的生长曲线监测，为判断基因缺失对菌体增殖的影响提供客观依据，保障表型实验结果的准确性与可靠性。