研究揭示链球菌抗氧胁迫新机制

链球菌是革兰氏阳性、兼性厌氧，它们主要栖息在人类口腔及上呼吸道，与人类健康密切相关。其中肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）是机会致病菌，导致肺炎、脑膜炎等疾病；变形链球菌(S. mutans）是龋齿的主要致病菌；而口腔有益菌寡发酵链球菌(S. oligofermentans）则产生H2O2，抑制变形链球菌的生长。链球菌的独特之处是不产生高效分解H2O2的触酶，因此有氧代谢时积累大量的H2O2。同时，它们也能耐受高浓度的H2O2，提示它们具有独特的抗氧化机制。研究人员发现，链球菌生长时产生的内源性H2O2帮助它们抵抗高浓度的H2O2胁迫，而H2O2自诱导防御的分子机制尚不清楚。3月17日，美国微生物学会期刊mSystems 在线发表了中国科学院微生物研究所东秀珠课题组的最新研究成果“Redox-regulated adaptation of Streptococcus oligofermentans to hydrogen peroxide stress”。该研究揭示了链球菌中独特的、H2O2敏感的半胱氨酸巯基所介导的H2O2自诱导防御的分子机制：过氧化物响应抑制蛋白PerR及锰转运抑制蛋白MntR的半胱氨酸感应胞内低浓度的H2O2，并被氧化失活从而解除对所抑制的抗氧胁迫基因（巯基氧化还原及金属离子平衡蛋白）的表达，发挥抗氧化功能（如图）。先前的研究证明40 μM H2O2氧化锰转录调控蛋白MntR的半胱氨酸使之失活（Chen et al.， J Biol Chem， 2017），本研究通过氧化还原学技术、Redox Western blotting、Cys点突变、免疫沉淀结合质谱分析，证实40 μM H2O2可氧化过氧化物响应抑制蛋白PerR的Cys139及Cys142残基。而PerR的半胱氨酸氧化导致其结构性锌离子丢失，使之可逆性失活，解除对其调控的巯基氧化还原（trx和tpx）及金属离子平衡等基因（dpr及mntABC）的抑制。该研究结果揭示链球菌为适应其胞内独特的高锰环境，PerR蛋白利用半胱氨酸氧化感应H2O2，并调控巯基氧化还原蛋白及金属离子平衡蛋白的表达，帮助触酶阴性的链球菌抵抗H2O2胁迫。东秀珠课题组长期致力于链球菌抗氧胁迫的分子机制研究，最近发现链球菌利用碳代谢物抑制蛋白CcpA同时调控葡萄糖的优先利用及H2O2产生。同时，CcpA还在转录后水平，通过调控转录通读而调控自然感受态的最适形成，使寡发酵链球菌摄取外界DNA从而增强对氧化损伤的修复，增加基因组稳定性而贡献抗氧胁迫（Wang et al.， Mol Microbiol， 2019）。东秀珠团队还发现原核生物的膜整合蛋白-水通道蛋白在链球菌中与抗氧胁迫及致病性密切相关。水通道蛋白（Aquaporin，AQPs）是广泛存在于三域生命的一类跨膜蛋白，协助水及其他小分子物质，如甘油、尿素等双向扩散。1998年Peter Agre首次发现人红细胞膜上的AQP协助水分子跨膜扩散，并因此而获得2003年的诺贝尔化学奖。真核生物的AQPs协助转运H2O2及NO等，发挥信号分子作用，调控细胞的凋亡以及疾病发生。而目前原核生物AQPs的生理功能绝大部分未知。东秀珠课题组首次表明寡发酵链球菌的水通道蛋白AqpA协助H2O2双向渗透；重要的是，aqpA基因缺失显着削弱了寡发酵链球菌高氧压力下的生长，并减弱其种内及种间竞争生存能力。因此AqpA特化为一个H2O2转运蛋白，帮助触酶阴性的链球菌脱毒细胞内的H2O2，抵御氧化压力（Tong et al.， J Biol Chem， 2019）。该课题组还发现肺炎链球菌的非典型甘油型水通道蛋白Pn-AqpC缺失显着影响肺炎链球菌的抗氧胁迫能力及致病性和毒力，其分子机制正在研究中。以上所揭示的链球菌抗氧胁迫的新机制，不仅丰富了对原核生物抗氧胁迫的认识，同时对利用和控制链球菌提供了思路，尤其是低浓度H2O2介导的H2O2免疫机制及水通道蛋白新的生理功能的认知，使得口腔有益菌更好地抑制龋齿致病菌，并可为致病链球菌，如肺炎链球菌的控制提供新的作用靶点。(100yiyao.com）