變異鏈球菌毒力相關轉錄調節因子的研究進展

李藍 張博文 李繼遙

1.口腔疾病研究國家重點實驗室 華西口腔醫院牙體牙髓病科（四川大學）；2.頭頸腫瘤外科，成都 610041

·綜述·

變異鏈球菌毒力相關轉錄調節因子的研究進展

李藍1張博文2李繼遙1

1.口腔疾病研究國家重點實驗室 華西口腔醫院牙體牙髓病科（四川大學）；2.頭頸腫瘤外科，成都 610041

研究發現眾多轉錄調節因子參與調節變異鏈球菌耐酸性等關鍵致齲毒力因子的表達，雖然仍有許多轉錄調節因子的作用靶點和調控機制尚不明確，但已有學者針對變異鏈球菌個別宏觀轉錄調控因子進行單基因突變研究。本文就已發現的影響變異鏈球菌致齲毒力因子表達的調節因子及其功能和可能的作用機制進行綜述。

變異鏈球菌； 致齲毒力； 轉錄調節因子

變異鏈球菌（Streptococcus mutans，S. mutans）是口腔天然菌群中占比例最大的鏈球菌屬之一，與人類齲病關系最為密切。變異鏈球菌的產酸、耐酸、黏附能力、合成細胞內外多糖和形成生物膜的能力是其經典毒力表型[1-2]。變異鏈球菌轉錄調節因子是具有轉錄調節活性的基因產物，在變異鏈球菌外界環境脅迫應答相關基因的表達調控過程中發揮重要作用[3]，可在轉錄水平直接影響變異鏈球菌相關基因編碼產物在細胞內的濃度。隨著分子生物學技術的發展，近年來學者[4-6]針對變異鏈球菌個別宏觀轉錄調控因子進行單基因突變研究，已先后發現轉錄調節因子與變異鏈球菌的耐酸及生物膜形成能力間存在密切聯系。本文就近年來對變異鏈球菌毒力相關轉錄調節因子的研究進展作一綜述。

1 雙組分信號傳導系統（two-component signal transduction systenms，TCSTS）

TCSTS通常由一個具備跨膜結構域的組氨酸蛋白激酶（histidine kinase，HK）及與其同源的胞內具備轉錄因子活性的反應調節蛋白（response regulator，RR）組成，TCSTS廣泛分布于原核生物基因組。HK用N末端的信號感知結構域，感知外界信號變化后，將信號傳遞到C端，位于C端上保守的組氨酸（His）殘基發生磷酸化，后將磷酸基團傳遞給RR的N端上保守的天冬氨酸（Asp）殘基。發生磷酸化的RR其空間構象發生變化，激活C端的DNA-Binding活性[7]。因此RR作為轉錄因子一方面調節相關基因的表達，另一方面影響某些蛋白的合成。

已經發現變異鏈球菌的基因組中含有14對完整TCSTS[8-10]和1個缺失同源HK的反應調節因子的基因CovR[11]。其中VicRK[8]、CiaHR[9]、LiaRS[9]、Spa-KR[12]、ScnRK[10]和GcrR[11]等參與了調控變異鏈球菌的耐酸反應，個別TCSTS還參與了對變異鏈球菌生物膜形成能力的調控。

1.1 VicRKX

VicRKX由vicRKX基因編碼，主體由蛋白激酶VicK、反應調節因子VicR及下游金屬依賴性水解酶VicX組成。其調控作用包括：耐酸性、生物膜形成、遺傳感受態、氧化應激等[13-14]。Shemesh等[15]發現，vicRKX基因表達不受碳源影響。最近Tremblay等[16]發現，細菌指數生長中后期由于細胞分裂旺盛，肽聚糖合成量高，此時VicRKX表達量最大；他還證實了作用于細胞膜的抗生素如萬古霉素、多黏菌素能誘導VicRKX表達，從而推測VicRKX可能參與細菌細胞膜感受外界壓力的過程。VicRKX調控細菌的眾多生理性能，由此研究者們推測VicRKX與其他信號系統的“串話”作用，最近已證實VicRKX與LiaFSR系統存在“串話”[16]。

1.2 LiaFSR

LiaFSR由蛋白激酶LiaS（HK11）、反應調節因子LiaR（RR11）組成。其調控作用包括生物膜形成[17]、細胞膜壓力的監控與應答[18]、耐酸性[17-19]。在外環境壓力誘導下，LiaS將磷酸基團轉移給LiaR，LiaR活化后可促進vicRKX基因表達[16]。Suntharalingam等[18]研究表明，僅在外界無誘導的環境下，LiaF調節因子可介導liaSR基因表達受抑，同時介導下游的spxA基因和SMu1727基因表達受抑，而這兩個基因產物在維持細胞膜完整性上有重要作用。并推測spxA基因和SMu1727基因表達受抑的機制：一是LiaF調節因子直接結合liaSR基因的啟動子區域，由此抑制liaSR基因轉錄，使下游的spxA基因和SMu1727基因沉默[18]；另一個是通過LiaS脫磷酸作用，在轉錄后水平使LiaR失活[16]。

1.3 CiaRH

變異鏈球菌通過胍丁胺脫亞氨酶系統（agmatinedeiminase system，AgDs），分解外環境的胍丁胺產生氨、二氧化碳、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），氨能中和細菌代謝過程中產生的酸，增強自身在低pH環境中的耐酸能力[20]，而AgD合成受CiaRH等調控。除耐酸性，CiaRH還參與變異鏈球菌蔗糖依賴性黏附、生物膜形成、攝取外源DNA、細菌素產生[9,21-22]等。He等[23]發現CiaRH系統的第三個基因，該基因編碼鈣離子感應多肽CiaX。He等推測ciaXRH基因的自我調控與CiaX多肽有關，ciaXRH基因轉錄包括兩種水平：第一種是在鈣離子缺乏時，CiaX多肽和CiaH連接，CiaH自身磷酸化，將磷酸基團轉移給CiaR，CiaR活化并連接到ciaXRH啟動子上的重復序列，從而使ciaXRH基因轉錄活躍；第二種當外界鈣離子充足時，鈣離子結合到CiaX多肽上的SD環狀區域，使CiaX構象變化，不能與CiaH發生相互作用，CiaH轉移磷酸給另一個未經確認的反應調節因子RR，使ciaXRH基因進入基本轉錄水平[23]。1.4 LevQRST

LevQRST包括碳水化合物感應系統（levQT）和信號轉導瀑布（levRS）。levS基因編碼感應激酶LevS，levR基因編碼反應調節因子LevR，levQ、levT基因編碼跨膜糖結合蛋白LevQ、LevT[24]。在外環境果糖濃度低時，LevQRST能激活fruA基因，編碼合成果糖水解酶FruA。levDEFG基因的轉錄也需要LevQRST的誘導，levDEFG基因編碼果糖/甘露糖輔酶Ⅱ（EⅡLEV）： EⅡLEV優先攝取果糖[24]，是一種磷酸轉移酶系統。fruA、levDEFG基因受levQRST基因產物調節的機制如下：當外源性果糖有限，LevS、LevR去磷酸化，糖結合蛋白LevQ、LevT在胞膜上相互呈松弛性連接，在FruA作用下果糖從菊粉中大量釋放時，LevQRST系統被活化，胞外果糖與胞膜上的LevQ或LevT連接，使LevQT的構象變化，從而使LevS自身磷酸化，并把磷酸轉移給LevR，磷酸化的LevR連接fruA和levDEFG基因啟動子上，以激活其轉錄；當胞內果糖大量累積時，又可通過EⅡLEV觸發碳代謝產物阻遏系統（carbon catabolite repression，CCR），作為一個負反饋下調LevQRST活性，阻止FruA過量合成[24]。

2 細菌數量群體感應（quorum sensing，QS）系統

QS是一種細菌信號傳導系統，是細菌隨著生存環境中群體密度變化來調控基因表達的一種分子機制。在口腔鏈球菌中，ComCDE系統調節種內密度感應信號，LuxS系統調節種屬間密度感應信號。

2.1 ComCDE

CSP（competence stimulating peptide）是一種感受刺激性多肽，由comC基因編碼，調節變異鏈球菌基因組中許多基因的表達，包括攝取外源DNA、產生細菌素。在外界壓力如低pH、抗生素誘導下，comC基因轉錄激活[25]，編碼ComDE雙組分系統，ComD蛋白可感受CSP信號，ComD與CSP結合后自身磷酸化，并磷酸化激活轉錄調節因子ComE蛋白。ComE可啟動包括自身操縱子在內的多基因表達，使細菌進入感受態，促進comX、非羊毛硫類細菌素A（nlmA）、非羊毛硫類細菌素C（nlmC）基因分別編碼ComX、變鏈素Ⅳ（mutacin Ⅳ）、變鏈素Ⅴ（mutacin Ⅴ）[25]。研究發現，ComX（sigX）是一種具有α因子活性的蛋白，可調節ComCDE系統[26]；mutacin Ⅳ可溶解菌斑中其他鏈球菌；mutacin Ⅴ可使變異鏈球菌亞組自溶[25]。變鏈素與基因攝取功能的相互協調使變異鏈球菌更適合菌斑的多菌種生活，使存活下來的變異鏈球菌通過轉化作用獲得最適宜生存的基因。

2.2 HdrRM

Merritt等[27]提出，HdrRM雙組分系統與細菌攝取外源DNA、產生mutacin Ⅳ也有關。研究發現通過激活HdrM，可以抑制變異鏈球菌攝取外源DNA，HdrM是一種膜蛋白，缺乏可辨認的激酶區域，推測HdrRM信號傳導系統，區別于傳統TCSTS所擁有的磷酸化體系。Okinaga等[28]發現，HdrR能上調細菌攝取外源DNA，產生mutacin Ⅳ的能力，而HdrM卻對抗HdrR的活性，下調這些基因的表達。

2.3 ComRS

Mashburn-Warren等[29]又發現另一個與變異鏈球菌攝取外源DNA、產生細菌素相關的調控環路，包括雙甘氨酸信號肽ComX、ComR。ComS是ComS基因的轉錄后產物，胞外成熟后稱XIP，通過OppA通透酶進入胞內，直接結合到ComR上，形成可溶性XIP-ComR復合體，并通過激活comX基因轉錄，實現變異鏈球菌攝取外源DNA的功能。

2.4 LuxS

LuxS蛋白是由luxS基因編碼的一種小分子金屬酶，自誘導分子（autoinducer-2，AI-2）是參與合成LuxS系統的信號分子。AI-2對變異鏈球菌的壓力應答基因有直接影響，包括蛋白合成與降解、DNA合成與修復、變鏈素Ⅰ（mutacinⅠ）生成，這些對菌斑環境下變異鏈球菌的生存至關重要[30]。mutacinⅠ由mutA基因編碼，Merritt等[31]發現毒力抑制誘導因子IrvA，通過抑制mutA和mutacinⅠ轉錄激活因子-mutR來抑制mutacinⅠ的表達。Niu等[32]發現irvA基因表達受AI-2、IrvR調控IrvA通過促進黏附、菌斑形成相關的蔗糖獨立性（SpaP）和蔗糖依賴性（GbpC）因子的表達，來促進葡聚糖依賴的細胞間聚集。

3 發展與展望

目前，變異鏈球菌基因組中仍有許多轉錄調節因子的作用靶點尚不清楚，它們各自對變異鏈球菌經典致齲毒力因子編碼基因的調控作用與機制尚不明確。現有的針對變異鏈球菌個別宏觀轉錄調節因子的單基因突變研究，難以深入認識其致齲毒力調控模式和關鍵位點。未來的發展有望通過系統突變手段，構建變異鏈球菌轉錄調節因子單基因突變體庫，通過體外模型和齲病動物模型篩選鑒定調控變異鏈球菌致齲毒力的關鍵轉錄調節因子，進一步通過生物信息學和高通量測序技術，確定鑒定因子的結合序列位點及其調控下游靶基因的分子機制，最終建立變異鏈球菌致齲毒力相關調控網絡。這將有助于從分子水平深入認識變異鏈球菌致齲毒力的調控模式及其致齲機制，為齲病防治新技術的研發提供候選靶標，具有重大的理論意義和應用價值。

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（本文編輯 杜冰）

Development of transcriptional regulators of Streptococcus mutans in cariogenic virulence

Li Lan1, Zhang Bowen2, Li Jiyao1. (1. State Key Laboratory of Oral Diseases, Dept. of Conservative Dentistry and Endodontics, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China; 2. State Key Laboratory of Oral Diseases, Dept. of Head and Nech Oncology, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China)

Supported by: The National Natural Science Foundation of China (81371135). Correspondence: Li Jiyao, E-mail: jiyao_li@ aliyun.com.

Some transcriptional regulators contribute to the expression of Streptococcus mutans (S. mutans) cariogenic virulence factors. Although the target sequence transcriptional regulators anchored on the cell wall and the molecular mechanism of the regulation of S. mutans are yet to be clarified, certain global regulators potentially associated with the cariogenicity of S. mutans have been identified. This review is about these related transcriptional regulators, their function, and possible mechanisms.

Streptococcus mutans; cariogenic virulence; transcriptional regulator

Q 786

A

10.7518/hxkq.2016.06.018

2015-10-12；

2016-09-10

國家自然科學基金面上項目（81371135）

李藍，碩士，E-mail：568598025@qq.com

李繼遙，教授，博士，E-mail：jiyao_li@aliyun.com