Mol cell：解析细菌生长与耐药之谜

　　

生物通报道  来自斯克里普斯研究所的科学家在新研究中揭示了使细菌形成生物膜的一条复杂化学信号通路。这一研究发现或可最终帮助开发出靶向生物膜治疗多种人类感染性疾病及解决细菌抗生素耐受问题的新方法。相关论文在线发布在4月26日的《分子细胞》（Molecular Cell）杂志上，证实了一个与免疫系统相关的信号分子一氧化氮导致了生物膜形成。

该研究的领导人、斯克里普斯研究所研究主席和首席执行官Michael Marletta 博士说“据估计，大约80%的人类病原体会在它们生命周期的某个时候形成生物膜。在本研究中，我们首次详述了从一氧化氮到感受器通过细胞调控因子的信号传导通路，以及它的生物影响，生物膜形成。”

“现在有很大的兴趣在设法寻找可影响细菌生物膜形成的途径，而弄清信号通路是首要条件，”文章的主要作者、Marletta课题组研究生Lars Plate说。

危险的聚集

生物膜形成是当细菌细胞粘附彼此及表面，有时是生长阶段部分时期以及对抗攻击的时候发生的一种至关重要的现象。发生这样的聚集时，生物膜外部的细胞仍然可能对于天然或制药抗生素敏感，但是内部的细胞就相对受到保护。这样使得采用常规的方法难于杀死它们。

生物膜可以在心脏瓣膜或导尿管等外科手术器械上形成，导致潜在致命性感染。此外，难以清除的生物膜也会在从牙周病到霍乱、从囊性纤维化到军团病在内的大量疾病中发挥关键性作用。

多年来，Marletta实验室和其他研究团队一直在研究一氧化氮是如何调控人体及其他脊椎动物中从血管扩张到神经信号在内的所有事物的。过去的研究也表明一氧化氮参与影响了细菌生物膜形成。

充足数量的一氧化氮会对细菌产生毒性作用，因此从逻辑上一氧化氮会触发细菌堆积为生物膜。但是一直以来无人知道其精确的机制。

在新研究中，科学家们开始发现了在一氧化氮触发后牵引发生的事件。“整个研究某程度上真的像是一个侦探故事，”Plate.说。

侦探故事

在脊椎动物中，一氧化氮可以结合到一种特异性酶的称之为血红素-一氧化氮/氧(H-NOX)的结合域上，激活该酶，启动化学级联反应导致血管扩张等生理功能。

许多的细菌也有H-NOX结构域，包括主要病原体，因此这似乎是研究的最好出发点。从那里，研究团队将研究焦点放在了基因组数据上。

编码互作蛋白质的基因间往往被发现彼此邻近。基于这一事实，研究人员能够推断出细菌H-NOX结构域与一种称为组氨酸激酶的酶之间的联系。组氨酸激酶可将磷酸基团转移到信号传导通路的其他分子上。长期以来的问题在于这些磷酸基团去了何处？

为了了解更多，研究人员采用了一种称为磷酸转移分析（phosphotransfer profiling）的技术。这包括激活组氨酸激酶，使它们分别与大约20个潜在靶标产生反应。组氨酸激酶快速转移磷酸基团的靶标就是该信号传导通路的组成部分。“这是一种简洁的方法，利用它我们得到了事实上非常令人吃惊的答案，”Plate.说。

实验结果表明组氨酸激酶使得三种称为反应调控因子的蛋白质发生了磷酸化，这三种蛋白协同作用调控了主要研究物种——斯瓦尼菌的生物膜形成

进一步的研究表明每种调控因子发挥了互补的作用，导致了一个异常复杂的系统。一个调控因子激活基因表达，另一个调控生成环鸟苷二磷酸（cyclic diguanosine monophosphate，c-di-GMP）的酶的活性。c-di-GMP是一种重要的细菌信使分子，在生物膜行程中发挥至关重要的作用。第三个微调了第二因子的活性程度。

分而治之

由于其他细菌物种有可能也利用了相同的化学信号，新研究发现为进一步探究制药应用的潜力铺平了道路。作为一个范例，研究人员或许可以用可以破坏这一一氧化氮级联反应任一元件活性的化合物来阻断生物膜生成。

Marletta的研究小组已经探讨了一氧化氮在调控军团病中的作用，接下来他们将把焦点放在了解引起霍乱的细菌生物膜形成上。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Nitric Oxide Modulates Bacterial Biofilm Formation through a Multicomponent Cyclic-di-GMP Signaling Network

Nitric oxide (NO) signaling in vertebrates is well characterized and involves the heme-nitric oxide/oxygen-binding (H-NOX) domain of soluble guanylate cyclase as a selective NO sensor. In contrast, little is known about the biological role or signaling output of bacterial H-NOX proteins. Here, we describe a molecular pathway for H-NOX signaling in Shewanella oneidensis. NO stimulates biofilm formation by controlling the levels of the bacterial secondary messenger cyclic diguanosine monophosphate (c-di-GMP). Phosphotransfer profiling was used to map the connectivity of a multicomponent signaling network that involves integration from two histidine kinases and branching to three response regulators. A feed-forward loop between response regulators with phosphodiesterase domains and phosphorylation-mediated activation intricately regulated c-di-GMP levels. Phenotypic characterization established a link between NO signaling and biofilm formation. Cellular adhesion may provide a protection mechanism for bacteria against reactive and damaging NO. These results are broadly applicable to H-NOX-mediated NO signaling in bacteria.