核苷二磷酸激酶调节铜绿假单胞菌毒力及致病性的机制研究

摘要

铜绿假单胞菌（PA）又称绿脓杆菌，是引起烧创伤、免疫功能低下及肺纤维化等病人菌血症、尿道炎或肺炎等医院内获得性感染最常见的条件性致病菌之一。PA具有目前已知的最大细菌基因组（6.3 Mbp），其开放阅读框（ORF）多达5,570个。目前，已鉴定或预测具有功能的ORFs仅占总ORFs的54.2％，其中包括参与蛋白分泌系统、二组分调节系统、外膜蛋白形成、物质代谢/转运、抗生素抵抗及细菌表面分子形成等多种功能的ORFs。PA庞大而复杂的基因组结构，为其适应严苛的宿主环境并引发感染奠定了重要的分子基础。在PA众多ORFs中，与蛋白分泌相关ORFs在调节PA毒力及致病性中起到关键作用。PA具有五大蛋白分泌系统：I-III型和V-VI型。I型蛋白分泌系统（T1SS）和II型蛋白分泌系统（T2SS）可将蛋白直接分泌至细菌胞外。其中由T1SS或T2SS分泌的碱性蛋白酶、弹性蛋白酶（LasB、LasA）、磷脂酶C、碱性磷酸酶可促进组织损伤；由T2SS分泌的脂酶可促进脂肪水解。III型蛋白分泌系统（T3SS）负责将具有生物学活性的效应蛋白ExoS、ExoT（均具有ADP-核糖基转移酶活性和Rho GTPase激活蛋白活性）、ExoY（腺苷酸环化酶活性）和/或 ExoU（磷脂酶活性）注射入宿主细胞，进而影响细胞凋亡、增殖、吞噬和炎症等一系列功能；而T5SS和T6SS则通过分泌酯酶、血细胞凝激素和磷脂酶D等毒力蛋白/因子促进对组织的损伤及红细胞凝集。此外，PA可通过促进绿脓素、绿色荧光素（载铁体）、藻酸盐等物质合成、调节细菌运动（如：集群运动）及促进生物膜形成等方式促进PA对宿主的致病性。目前，调节PA毒力及致病性相关机制已有诸多报道，但由于这些机制的复杂性和调节方式的多样性，对其深入的研究仍具有重大创新性和挑战性。
　　核苷二磷酸激酶（Ndk）是调节原核和真核生物核酸代谢的重要激酶。尽管Ndk对促进PA藻酸盐的合成及调节宿主细胞的吞噬、炎症应答等作用已有报道，但其对 PA毒力及致病性的系统性影响及相应机制仍不清楚。本课题组前期预实验发现，在PA急性肺感染小鼠模型中，ndk基因表达水平显著降低并伴随着T3SS基因表达的上调，提示Ndk是PA急性期感染中的一种重要宿主应答蛋白，可能通过自身表达水平的改变，调控 PA毒力及对宿主的致病性。因此，本文通过构建ndk基因敲除菌株及回补菌株，分别在小鼠肺部感染模型和细胞感染模型中，考察Ndk在调节PA宿主致病性及细胞毒性中的作用及可能机制。此外，通过转录组测序，考察ndk基因敲除对PA全基因组基因表达的影响；采用RT-qPCR、Western blot等方法及相应表型鉴定，验证转录组测序结果，并进一步探讨Ndk在调节PA群体感应（QS）系统、胞外毒力因子产生及T3SS中的作用及可能机制。本实验主要的研究内容及结果如下：
　　Ndk在调节PA对宿主致病性中的作用。采用Red重组酶系统构建PAO1和各PAO1基因突变菌株，并将其滴鼻感染小鼠构建小鼠肺感染模型，动态检测小鼠死亡率、肺组织水肿、病变及炎症等情况；将PAO1和各PAO1基因突变菌株感染A549细胞株，通过CCK8、免疫荧光染色、流式细胞术和Western blot等方法，检测细胞的活性、凋亡、膜通透性及 T3SS效应蛋白的细胞内转运情况。结果显示，小鼠急性期肺部感染时，ndk基因敲除通过上调T3SS相关蛋白表达水平，加重了由T3SS介导的小鼠肺组织损伤、炎症应答，并增加了小鼠死亡率；ndk基因敲除通过上调T3SS相关蛋白表达水平或增加T3SS效应蛋白转运促进了PA对细胞的毒性、诱导了细胞凋亡或增加了细胞膜通透性。
　　Ndk对PA全基因组基因表达的影响。通过转录组测序检测了PAO1及△ndk菌株基因表达差异。通过GO（gene ontology）功能注释和KEGG（kyoto encyclopedia of genes and genomes）通路富集分析等生物信息学方法，考察Ndk对PA全基因组基因表达的影响。结果显示，ndk基因敲除影响了 PA物质代谢/转运等基础生命活动相关基因表达。此外，ndk基因敲除影响了T3SS、胞外毒力因子合成等细菌毒力相关的基因表达。
　　Ndk对PA毒力相关表型的影响。采用RT-qPCR、Western blot方法及相应表型鉴定，检测了 PAO1、△ndk和△ndk+（ndk基因回补株）胞外毒力因子和 T3SS相关的基因及蛋白表达情况、运动及生物膜形成能力。结果显示，ndk基因敲除抑制了胞外毒力因子如：弹性蛋白酶、碱性磷酸酶、吩嗪等相关基因表达水平及弹性蛋白酶、绿脓素合成。然而，ndk基因敲除上调了T3SS基因及蛋白的表达水平。此外，ndk基因敲除抑制了PA集群运动及生物膜形成能力。
　　Ndk对PA QS系统的调节作用。采用RT-qPCR、信号分子报告菌株平板法及高效液相色谱方法，检测PAO1、△ndk和△ndk+菌株三大QS系统（las、rhl及pqs系统）信号分子合成酶和转录因子相关基因的基因表达水平及信号分子产量。结果显示，ndk基因敲除抑制了QS系统信号分子合成酶基因（lasI、rhlI和pqsA）和转录因子基因（lasR、rhlR和pqsR）的基因表达及信号分子（3-oxo-C12-HSL、C4-HSL和PQS）合成。
　　Ndk通过QS系统调节PA毒力相关表型。通过在△ndk菌株培养基中添加外源性信号分子3-oxo-C12-HSL、C4-HSL或PQS，检测△ndk菌株胞外毒力因子和T3SS相关基因的基因及蛋白表达水平。结果显示，添加 C4-HSL促进了△ndk菌株弹性蛋白酶及绿脓素的合成；而添加C4-HSL或PQS抑制了△ndk菌株上调的T3SS基因及蛋白表达水平。

目录

封面

声明

目录

缩略语表

英文摘要

中文摘要

第一章 前言

1.1 选题缘由

1.2 研究背景

1.3 研究意义

1.4 研究内容及方法

第二章 Ndk是一种PA的宿主应答蛋白

2.1 ndk基因在PA感染宿主时明显下调

2.2 ndk基因表达下调不依赖于PA与宿主细胞直接的相互作用

第三章 Ndk在调节PA对宿主致病性中的作用

3.1 PA基因突变菌株构建

3.2 Ndk通过调节T3SS影响PA对宿主的致病性

3.3 Ndk通过调节T3SS影响PA的细胞毒性

3.4 Ndk通过T3SS影响PA细胞毒性的相关机制

第四章 Ndk对PA全基因组基因表达的影响

4.1 转录组测序样品准备及测序

4.2 差异表达基因的GO功能及KEGG代谢通路分析

第五章 Ndk对PA毒力相关表型的影响

5.1 Ndk对PA胞外毒力因子产生的影响

5.2 Ndk对PA T3SS的影响

5.3 Ndk对PA运动的影响

5.4 Ndk对PA生物膜形成的影响

第六章 Ndk对PA QS系统的调节作用

6.1 Ndk对PA QS相关基因表达的影响

6.2 Ndk对PA QS信号分子合成的影响

第七章 Ndk通过QS系统调节PA毒力相关表型

7.1 Ndk通过QS系统调节胞外毒力相关基因表达及合成

7.2 Ndk通过调节QS系统抑制T3SS表达水平

7.3 Ndk对PA毒力相关表型的调节作用不依赖于其激酶活性

第八章 Ndk对PA毒力调节的生物学意义

全文总结

参考文献

文献综述: Nucleoside diphosphate kinase (Ndk):a pleiotropic effector manipulating bacterial virulence and adaptive responses

附录

攻读博士学位期间的科研成果

致谢