普拉梭菌中 FruR 对果糖的响应调控机制及其肠道定植作用

研究人员探索普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）fru 操纵子调控机制，发现 FruR 通过与 F1P、HPr2 互作促进定植。

　　在人体肠道这个复杂而神秘的 “生态系统” 中，肠道微生物与人体健康息息相关。普拉梭菌作为健康人体肠道微生物群的优势成员，对肠道健康有着重要贡献，它能产生短链脂肪酸（SCFAs），像丁酸就可以为结肠细胞提供能量、强化肠道屏障、调节免疫系统 ，其数量多少与肠道健康状况紧密相连，和多种炎症性疾病，如炎症性肠病（IBD）、克罗恩病呈负相关。

在肠道这个充满竞争的环境里，细菌想要成功定植并生存下去，必须高效利用碳源。果糖作为一种关键的能量来源，在细菌的肠道定植过程中起着重要作用。比如霍乱弧菌在感染时，与果糖利用相关的基因转录水平会升高；小鼠盲肠中的果糖水平和粪便中肠球菌数量呈正相关。普拉梭菌的丰度也和人体粪便中的果糖水平正相关，然而，它是如何选择性利用果糖来适应肠道环境的，这个问题一直困扰着科学家们。

为了揭开这个谜团，首尔国立大学的研究人员开展了一系列研究。他们发现，普拉梭菌的 fru 操纵子（负责果糖摄取和代谢）受 FruR（一种 DeoR 家族转录调节因子）调控，FruR 通过与果糖 - 1 - 磷酸（F1P）和含组氨酸的磷酸载体蛋白 HPr2 相互作用，来调控 fru 操纵子的表达。在果糖丰富的环境中，小鼠体内的普拉梭菌丰度增加，同时 fru 操纵子表达上调。这一研究成果发表在《Communications Biology》上，为我们理解普拉梭菌在肠道中的定植机制提供了新的视角。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是蛋白质纯化技术，通过该技术获取用于后续实验的纯化蛋白；接着利用配体垂钓实验来鉴定与 FruR 相互作用的蛋白；微尺度热泳（MST）分析则用于测量 FruR 与 F1P、HPr2 之间的结合亲和力；体外转录（IVT）实验和 β - 半乳糖苷酶测定用于评估转录激活情况；还有电泳迁移率变动分析（EMSA）、DNase I 足迹实验和分子动力学（MD）模拟，从不同角度研究 FruR 与 DNA 的结合及结构变化。

研究结果具体如下：

• Fructose - 1 - Phosphate 和 HPr2 是 FruR 调控的效应分子：通过 BLAST 搜索确定了普拉梭菌中 FruR 和 GXM22_RS08275（可能的 CcpA 同源物），利用 EMSA 实验发现只有 FruR 能与 fru 启动子特异性结合。配体垂钓实验鉴定出 HPr2 能与 FruR 相互作用，且 FruR 仅在利用 PTS 糖类（如果糖和 N - 乙酰葡糖胺（NAG））时才与 HPr2 结合。MST 分析表明 F1P 能与 FruR 结合，且 HPr2 和 F1P 能相互影响与 FruR 的结合亲和力，F1P 结合可能先于 HPr2 结合形成 F1P - HPr2 - FruR 复合物。
• HPr2 丝氨酸 46 位点的磷酸化对转录起始至关重要：体外转录实验显示，F1P 是 FruR 转录激活的正效应物，HPr2（Ser - P）是共激活剂。体内实验利用大肠杆菌系统，通过构建不同质粒组合，发现 HPr2（Ser - P）能与 FruR 在 F1P 存在时形成复合物激活 fru 启动子表达，且普拉梭菌 HPrK 能在大肠杆菌中有效磷酸化 HPr2 的丝氨酸 46 位点。不同糖类对 HPr2 磷酸化影响不同，果糖能诱导更高的丝氨酸磷酸化，进而促进 fru 操纵子转录。
• F1P 与 FruR 结合改变其在 fru 启动子上的识别位点，使 RNA 聚合酶能够结合：FruR 在革兰氏阳性菌中识别特定的 10 碱基对重复序列，普拉梭菌 fru 启动子含有八个这样的序列。EMSA 和 DNase I 足迹实验表明，F1P 结合改变 FruR 的 DNA 结合模式，使它从某些结合位点解离，HPr2（Ser - P）则招募 RNA 聚合酶启动转录。IVT 实验发现 motif 1、3 和 8 对转录激活至关重要，F1P 诱导的结构变化减少了 FruR 与部分 motif 的相互作用，让 RNA 聚合酶更容易结合启动子。
• F1P 诱导 FruR 的结构修饰：MST、EMSA、DNase I 足迹实验及 MD 分析表明，F1P 结合使 FruR 结构动力学增加，N 末端 DNA 结合域与 C 末端传感器域的相互作用改变，Y243 在维持两个域的相互作用中起重要作用，F1P 结合通过破坏这种相互作用，改变 FruR 的 DNA 识别模式。
• 在喂食菊粉的小鼠中，普拉梭菌的定植随着 fru 操纵子表达的升高而增加：菊粉和几丁质可分别为肠道提供果糖和 NAG，研究人员用小鼠模型实验发现，喂食菊粉的小鼠中普拉梭菌定植更好，且 fru 操纵子基因表达显著上调，说明普拉梭菌能响应果糖调节 fru 操纵子，适应肠道环境。

研究结论和讨论部分指出，普拉梭菌通过 FruR、F1P 和 HPr2（Ser - P）的相互作用精细调控 fru 操纵子表达，以适应肠道中的果糖环境。与其他革兰氏阳性菌不同，普拉梭菌中的 FruR 在有 F1P 和 HPr2（Ser - P）存在时作为转录激活剂起作用。HPr1 和 HPr2 在普拉梭菌中功能不同，HPr1 主要参与果糖转运和磷酸化，HPr2 则参与转录调控，这种分工使普拉梭菌能更精确地调节果糖代谢，在竞争中占据优势。

这项研究深入揭示了普拉梭菌利用果糖的分子机制，有助于我们更好地理解宿主 - 微生物相互作用，为开发基于普拉梭菌的益生菌疗法和饮食干预措施提供了理论基础，有望为改善肠道健康、预防和治疗相关疾病开辟新的途径。