Spermidine constitutes a key determinant of motility and attachment of Salmonella Typhimurium through a novel regulatory mechanism
亚精胺通过一种新型调控机制成为鼠伤寒沙门氏菌运动与黏附的关键因子
来源：Microbiological Research, Volume 281, 2024, Article number 127605, doi:10.1016/j.micres.2024.127605
《微生物学研究》，第281卷，2024年，文章编号127605
摘要
亚精胺是广泛存在于各类生物中的多聚阳离子多胺，鼠伤寒沙门氏菌自身可合成亚精胺，同时拥有特异性转运系统摄取胞外亚精胺。已有研究证实多胺参与沙门氏菌毒力及沙门氏菌致病岛1（SPI-1）基因、抗逆性的调控，但具体分子机制尚不明确。沙门氏菌侵染宿主的关键前提是借助多种表面结构黏附宿主细胞。本研究首次发现鼠伤寒沙门氏菌可协同调控亚精胺的转运与生物合成过程；小鼠模型实验证实亚精胺对沙门氏菌侵袭派尔集合淋巴结至关重要，与体外细胞实验结果相互印证。亚精胺能够调控菌毛黏附素基因fimA以及非菌毛黏附素基因siiE、pagN的转录，助力细菌黏附宿主细胞；同时亚精胺可提升σ因子28的翻译水平，进而调控鞭毛蛋白基因表达，影响细菌运动能力，而σ因子28的转录本存在非典型起始密码子与弱夏因-达尔加诺序列。此外，亚精胺还通过调控双组分系统BarA/SirA，进而调控SPI-1编码基因。本研究揭示了亚精胺调控鼠伤寒沙门氏菌致病过程的全新分子机制。
关键词
亚精胺；鼠伤寒沙门氏菌；黏附素；鞭毛；σ因子28；双组分系统；沙门氏菌致病岛；肠道上皮细胞
研究目的
阐明亚精胺调控鼠伤寒沙门氏菌运动能力、细胞黏附及致病过程的分子机制；探究亚精胺合成与转运通路之间的相互调控关系；解析亚精胺对鞭毛合成、黏附素表达以及SPI-1相关基因的调控通路；验证亚精胺在体外细胞模型和活体动物模型中对沙门氏菌侵袭、增殖能力的影响，为靶向多胺代谢开发抗沙门氏菌策略提供理论依据。
研究思路
首先构建亚精胺合成缺陷株、转运缺陷株以及双缺陷菌株，结合qRT-PCR、质谱技术，分析野生株与突变株中亚精胺合成、转运相关基因的表达及胞内亚精胺含量，明确两条通路的协同调控关系；其次利用多种培养基培养菌株，借助生长监测设备分析亚精胺缺失对细菌体外生长的影响；然后通过体外肠道上皮细胞感染模型、小鼠活体感染模型，评估各突变株的黏附、侵袭、胞内增殖能力；接着检测黏附素、鞭毛相关基因与蛋白的表达，结合运动实验、透射电镜、免疫荧光观察，解析亚精胺对细菌黏附与运动的调控作用；随后聚焦σ因子28，探究亚精胺对其翻译过程的调控；最后分析双组分系统BarA/SirA及SPI-1系列基因的表达变化，梳理亚精胺调控沙门氏菌毒力的完整信号网络。
研究亮点
1. 首次证实鼠伤寒沙门氏菌的亚精胺合成通路与转运通路存在协同互作，二者共同维持胞内亚精胺稳态。
2. 阐明亚精胺可同时调控菌毛与非菌毛两类黏附素的表达，是沙门氏菌黏附宿主细胞的重要调控因子。
3. 揭示了一种新型翻译调控机制：亚精胺能够提升具有非典型起始密码子、弱SD序列的σ因子28的翻译效率，进而调控鞭毛合成与细菌运动。
4. 明确亚精胺通过调控BarA/SirA双组分系统，间接控制SPI-1毒力基因的表达，完善了SPI-1的调控网络。
5. 体外细胞实验与小鼠动物实验相互佐证，证明亚精胺是沙门氏菌侵袭肠道组织、实现体内定植的必要因子。
6. 发现亚精胺缺失不会影响沙门氏菌基础生长能力，但会显著削弱其毒力，为靶向亚精胺代谢开发抗菌手段提供新思路。
可延伸的方向
1. 探究亚精胺与核酸结合的具体分子方式，解析其调控特殊序列基因翻译的通用机制。
2. 研究亚精胺对其他沙门氏菌血清型毒力的调控作用，验证该机制的物种保守性。
3. 分析肠道菌群产生的多胺对沙门氏菌致病能力的影响，探索肠道微环境与病原菌的互作关系。
4. 以亚精胺合成、转运通路为靶点，筛选抑制剂并评估其抗沙门氏菌感染的效果。
5. 研究亚精胺对SPI-4等其他沙门氏菌致病岛基因的调控作用，拓展多胺的调控网络。
6. 探究亚精胺代谢相关基因在临床耐药沙门氏菌中的表达特征，分析其与耐药、毒力的关联。
7. 研究亚精胺前体腐胺在沙门氏菌代谢与毒力调控中的功能及通路差异。
测量的数据及研究意义
1 检测亚精胺合成基因、转运基因的转录水平，以及胞内亚精胺、腐胺含量，数据来自图1。研究意义：证明沙门氏菌中亚精胺合成与转运通路相互调控，单一通路缺陷会导致另一通路基因表达下调，突变株胞内亚精胺含量显著降低，同时出现腐胺蓄积，明确了胞内亚精胺稳态的维持模式。
2 监测不同培养基中各菌株的生长动力学，数据来自图1。研究意义：证实亚精胺合成或转运缺陷不会改变沙门氏菌体外生长速率，说明亚精胺并非细菌基础生长必需物质，主要参与毒力调控。
3 检测菌株对肠道上皮细胞的侵袭能力、胞内增殖能力，以及外源亚精胺的回补效果，数据来自图2。研究意义：证明亚精胺缺失会大幅降低沙门氏菌对宿主细胞的侵袭与增殖能力，外源亚精胺仅能部分回补表型，且转运缺陷株无法被回补，区分了合成与转运通路的功能差异。
4 小鼠体内感染实验，检测派尔集合淋巴结中的细菌载量，结合组织免疫荧光观察，数据来自图2。研究意义：在活体层面验证亚精胺是沙门氏菌侵袭肠道组织、定植的关键因子，体外实验结果得到动物模型佐证。
5 测定细菌对宿主细胞的黏附率，检测黏附素基因转录水平，结合免疫荧光观察黏附情况，数据来自图3。研究意义：明确亚精胺正向调控菌毛及非菌毛黏附素的表达，亚精胺缺失会显著降低细菌对宿主细胞的黏附能力。
6 开展泳动实验，检测鞭毛相关基因、σ因子28的转录与蛋白表达，借助透射电镜、免疫荧光观察鞭毛形态与数量，数据来自图4。研究意义：阐明亚精胺通过促进σ因子28翻译，上调鞭毛蛋白表达，进而维持细菌正常运动能力。
7 检测BarA/SirA双组分系统及SPI-1毒力基因的转录水平，结合β-半乳糖苷酶报告实验、蛋白印迹检测效应蛋白转运，数据来自图5。研究意义：证实亚精胺通过调控BarA/SirA，进而调控SPI-1基因表达，影响沙门氏菌侵染宿主的核心毒力系统。
结论
1 鼠伤寒沙门氏菌的亚精胺生物合成与转运通路呈协同调控模式，任一通路缺陷都会抑制另一通路基因表达，共同维持胞内亚精胺稳态，亚精胺缺失会造成前体腐胺积累。
2 亚精胺不参与沙门氏菌的基础生长代谢，但却是其毒力发挥的核心因子，亚精胺合成或转运缺陷会显著削弱细菌在体外细胞和小鼠体内的侵袭、定植与增殖能力。
3 亚精胺可调控菌毛、非菌毛两类黏附素基因的表达，直接影响沙门氏菌对宿主肠道上皮细胞的黏附能力。
4 亚精胺能够提升σ因子28的翻译效率，该因子转录本带有非典型起始密码子和弱SD序列，亚精胺以此方式调控鞭毛合成与细菌运动。
5 亚精胺通过上调BarA/SirA双组分系统的表达，进而激活SPI-1致病岛的毒力基因，调控三型分泌系统功能。
6 亚精胺通过多条通路协同调控沙门氏菌黏附、运动、侵袭等多个致病环节，靶向亚精胺代谢通路可有效抑制沙门氏菌毒力。
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仪器监测沙门氏菌在LB培养基、M9基础培养基、模拟胞内酸性F培养基中的生长动力学，该仪器可实时连续检测菌液OD值，记录细菌完整生长曲线。第一，仪器实现自动化高通量检测，减少人工操作误差，精准对比野生株与各类突变株的生长速率，明确亚精胺相关基因缺失不会影响细菌对数生长、稳定生长等各个阶段的增殖能力。第二，可长时间动态监测不同培养环境、添加外源亚精/腐胺后的细菌生长变化，验证外源多胺也无法改变突变株的生长表型，进一步排除亚精胺参与细菌基础代谢的可能性。第三，标准化的检测体系保证多组平行实验的数据重复性，为“亚精胺主要调控毒力而非生长”这一核心结论提供量化的生长数据支撑。第四，该设备可同时处理多个样本与培养体系，高效完成多种培养基、多菌株的生长筛选，提升整体实验效率，也为后续同类细菌生长表型研究建立了可靠的检测方法。