生物被膜（Biofilm）是微生物生存的主要形式。生物被膜相關(guān)研究是微生物學(xué)領(lǐng)域的前沿之一，在基礎(chǔ)生命科學(xué)和醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境治理等應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域均具有至關(guān)重要的研究意義。銅綠假單胞菌具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，可以在水體、土壤、原油等多種環(huán)境中生存。同時(shí)銅綠假單胞菌也是一種條件致病菌，易形成生物被膜，是生物被膜研究的模式菌株之一。已有研究發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌存在一類褶皺型小菌落突變株（Rugose small colony variants, RSCVs），可以形成致密、厚實(shí)的超級(jí)生物被膜（hyper-biofilm）。超級(jí)生物被膜的形成導(dǎo)致突變株耐藥性大幅增強(qiáng)，易于逃脫宿主的免疫清除，臨床預(yù)后較差。此外超級(jí)生物被膜的形成也有助于細(xì)菌抵御環(huán)境中的生存壓力，可以在營(yíng)養(yǎng)貧瘠的環(huán)境中維持生存。然而關(guān)于超級(jí)生物被膜菌株形成機(jī)制尚待解析。

 

　　中國(guó)科學(xué)院微生物研究所馬旅雁團(tuán)隊(duì)對(duì)石油分離的兩株銅綠假單胞菌進(jìn)行了全基因組測(cè)序，分析發(fā)現(xiàn)兩株菌株基因組高度同源（identity>99.99%），但其中一株表現(xiàn)為形成超級(jí)生物被膜的小菌落皺褶表型。SNP分析結(jié)合分子生物學(xué)驗(yàn)證揭示該菌甲基化趨化受體蛋白WspA的小片段缺失是導(dǎo)致菌株超級(jí)生物被膜形成的原因。WspA蛋白是Wsp系統(tǒng)中的信號(hào)感應(yīng)受體蛋白，通過(guò)甲基化或去甲基化兩種修飾形態(tài)決定著Wsp系統(tǒng)的激活或關(guān)閉。WspA第280-307氨基酸殘基片段的缺失導(dǎo)致該蛋白將Wsp系統(tǒng)鎖定在持續(xù)激活的狀態(tài)。Wsp系統(tǒng)在銅綠假單胞菌中通過(guò)調(diào)控胞內(nèi)第二信使cyclic-di-GMP的合成從而協(xié)調(diào)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)和生物被膜形成，Wsp系統(tǒng)的持續(xù)激活導(dǎo)致了胞內(nèi)cyclic-di-GMP的持續(xù)積累，從而抑制細(xì)菌運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)胞外多糖的合成，形成超級(jí)生物被膜。此外，馬旅雁團(tuán)隊(duì)通過(guò)Orbitrap對(duì)WspA蛋白的甲基化位點(diǎn)進(jìn)行鑒定，發(fā)現(xiàn)在WspA有小片段缺失的280-307氨基酸區(qū)域存在兩個(gè)甲基化位點(diǎn)E280和E297。推測(cè)甲基化位點(diǎn)的缺失導(dǎo)致WspA蛋白無(wú)法被甲基化和去甲基化修飾，從而導(dǎo)致Wsp系統(tǒng)被鎖定在持續(xù)激活的狀態(tài)。WspA同源蛋白序列比對(duì)顯示在發(fā)生氨基酸片段缺失（aa280-313）的區(qū)域有三個(gè)保守的重復(fù)序列，表明相應(yīng)DNA編碼區(qū)域內(nèi)的自發(fā)缺失可能是基因內(nèi)部片段重組的結(jié)果。該重復(fù)序列在幾個(gè)相關(guān)的菌屬和生境類似的細(xì)菌的WspA中均存在，提示了類似突變發(fā)生的普遍性。WspA的小片段缺失在臨床分離的RSCV中也很常見(jiàn)。該研究結(jié)果闡明了銅綠假單胞菌超級(jí)生物被膜形成的機(jī)制以及該菌在特殊環(huán)境中獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的原因。

 

　　綜上，該研究揭示了甲基化趨化受體蛋白WspA通過(guò)小片段丟失的方式，激活cyclic-di-GMP的合成，從而導(dǎo)致菌株形成超級(jí)生物被膜的機(jī)制，為防治和控制超級(jí)生物被膜相關(guān)問(wèn)題提供理論依據(jù)及可能的解決辦法。本研究工作以馬旅雁課題組博士生徐安明為第一作者，王迪副研究員為第二作者，馬旅雁研究員為通訊作者，于2022年3月發(fā)表在Environmental Microbiology雜志上。本研究得到了微生物所劉雙江團(tuán)隊(duì)和李德峰團(tuán)隊(duì)的合作與幫助。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金水圈重大研究計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
 

　　原文鏈接：https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15763