北极假交替单胞菌中 Csr sRNAs 的动态复杂调控机制揭示

为探究非模式生物中核糖调控网络，研究人员对北极假交替单胞菌 Csr 系统研究，发现新 sRNAs 及复杂调控机制。

　　在神秘的微观世界里，细菌就像一个个充满奥秘的小宇宙，它们的生存、繁衍和应对环境变化的方式一直是科学家们热衷探索的领域。其中，碳储存调节（Csr，Carbon Storage Regulator）系统在大多数细菌中发挥着控制多种细胞功能的关键作用，它主要通过 CsrA 蛋白及其拮抗的 sRNAs（非编码小 RNA，non - coding small RNAs）来实现这一功能。然而，目前人们对于核糖调控网络在非模式生物，尤其是那些生活在极端环境中的生物体内的情况知之甚少。

为了填补这一知识空白，上海交通大学极地生态与气候变化教育部重点实验室、自然资源部极地科学重点实验室（中国极地研究中心）等机构的研究人员，对北极假交替单胞菌（Pseudoalteromonas fuliginea）BSW20308 展开了深入研究。该研究成果发表在《Communications Biology》上，为我们理解细菌的核糖调控网络提供了新的视角。

研究人员开展此项研究运用了多种关键技术方法。在基因编辑方面，采用 CRISPR/Cas9 技术对 Pf sRNA 基因进行敲除；通过构建 3×FLAG - 标记的 CsrA 菌株，利用 RIP - seq（RNA 免疫沉淀测序，RNA Immunoprecipitation Sequencing）技术分析 CsrA 的靶标；运用 EMSA（电泳迁移率变动分析，Electrophoretic Mobility Shift Assays）验证 CsrA 与 RNA 的结合；还借助 AlphaFold 3 预测蛋白与 RNA 的潜在相互作用。

研究结果如下：

1. 新 Csr sRNAs 的鉴定：研究人员通过生物信息学预测和实验验证，在假交替单胞菌 BSW20308 中发现了两个新的 Csr 系统 sRNAs——Pf2 和 Pf3。它们与之前发现的 Pf1 一样，都位于第一条染色体的基因间区域，且序列中含有典型的与 CsrA 结合的 GGA 基序。通过转录融合实验、EMSA 和体内功能验证实验，证实了 Pf2 和 Pf3 能与 CsrA 结合并发挥功能。
2. Pf sRNAs 的分布：对 672 个假交替单胞菌基因组进行分析，发现 Pf1、Pf2 和 Pf3 在该属中广泛存在，但并非所有菌株都有。值得注意的是，Pf3 在斑马鱼等真核生物以及其他细菌中也存在部分匹配序列，这为研究 sRNA 的进化提出了新的问题。
3. Pf sRNAs 缺失对细菌的影响：构建不同 Pf sRNA 缺失的突变株，研究发现单个 Pf sRNA 缺失对细菌在 2216E 培养基中的生长影响较小，但缺失多个 Pf sRNAs 会严重影响细菌生长，且在不同环境压力下表现不同，说明 Pf sRNAs 具有功能互补性。
4. RIP - seq 分析：通过 RIP - seq 比较野生型和突变株的 CsrA 靶标，发现不同数量的 Pf sRNAs 存在会影响 CsrA 的靶标组。CsrA 的结合位点主要集中在 mRNA 区域，且在突变株中，CsrA 靶标组的基因数量和种类都发生了变化，这影响了细菌的多种生理过程，如细胞运动、信号转导和 T6SS（VI 型分泌系统，Type VI Secretion System ）功能等。
5. 对细胞运动相关基因的调控：研究发现 CsrA 能调控假交替单胞菌 BSW20308 鞭毛合成相关基因，随着 Pf sRNAs 敲除数量增加，鞭毛合成相关基因在 CsrA 靶标组中的数量增多，细菌的运动能力也增强。
6. 对生物膜形成的影响：研究人员定量测量了不同菌株的生物膜形成能力，发现 ΔPf12 和 ΔPf123 菌株的生物膜形成显著减少。虽然直接负责生物膜合成的基因不在 CsrA 靶标组中，但参与生物膜形成调控的多个基因，如编码 sigma 因子 RpoE 和 RpoS、合成 c - di - GMP（双 -（3′ - 5′） - 环二鸟苷酸，bis - (3′ - 5′)-cyclic dimeric guanosine monophosphate）的基因等在 CsrA 靶标组中，说明 Csr 系统可能在更高层次上调控生物膜形成的调控因子。
7. 潜在的特异性靶标：通过分析 RIP - Seq 数据，研究人员鉴定出了假交替单胞菌 BSW20308 中 Csr 系统的一些潜在特异性靶标，包括参与有毒化合物降解的 nemA、可能参与呼吸链电子传递的细胞色素 c 等，这些靶标与大肠杆菌中的不同，体现了物种特异性的调控机制。
8. CsrA 与其他 sRNAs 的相互作用：研究检测到大量可能与 CsrA 相互作用的 sRNAs，它们含有的 GGA 基序数量不等。通过预测和验证，发现这些 sRNAs 可能与 CsrA、Hfq（一种全局 RNA 伴侣蛋白）形成复杂的相互作用网络，暗示了 Csr 系统与 Hfq 系统之间存在复杂的串扰。

研究结论与讨论部分指出，该研究首次全面地对假交替单胞菌及极地细菌中的 Csr 系统进行了调查，发现多个 Csr sRNAs 在假交替单胞菌属中普遍存在，这表明多个 Csr sRNAs 可能是细菌 Csr 系统的常见现象，也体现了 Csr 系统的稳健性。Pf sRNAs 并非功能冗余，而是具有功能互补性，对维持细菌的正常功能和生长至关重要。此外，研究还揭示了 CsrA 靶标组受 Pf sRNAs 敲除的显著影响，以及 CsrA 与众多潜在 sRNA 靶标的复杂相互作用，这表明 Csr 系统与 Hfq 系统之间可能存在复杂的串扰。这些发现为进一步研究细菌在极端环境中的核糖调控网络多样性、Csr 系统与 Hfq 系统的相互作用机制等提供了重要的线索，有助于我们更深入地理解细菌在极端环境中的生存策略和适应机制。