19细菌自然转化的分子机制研究进展

参与枯草芽胞杆 菌 感 受 态 调 控［1］。 其 次，虽 然 在 肺 炎链球菌和枯草芽胞杆菌中感受态信号都是通过双 组分系统传递，但是 这 两 种 细 菌 的 双 组 分 系 统 的 构 成却毫无关联［1］。另外，在分泌到肺 炎 链 球 菌 细 胞 外之 前，通 过 剪 切 前 导 肽 未 成 熟 的 CSP 加 工 成 熟； 而 在 枯 草 芽 胞 杆 菌 中，无 活 性 的 感 受 态 信 息 素 ComX 不 仅 需 要 被 剪 切 成 为 成 熟 的 形 式，还 需 要 经 过 翻 译 后 的 修 饰 才 具 备 活 性［1］ 。
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Dongchang Sun et al． / Acta Microbiologica Sinica（ 2012） 52（ 1）
好性可能由细 胞 外 膜 上 能 够 识 别 USS 的 受 体 所 决 定。然而，至 今 尚 未 有 任 何 有 关 USS 受 体 的 报 道。 现有观点认 为 外 源 DNA 可 能 经 由 外 膜 蛋 白 ComE （ 或 PilQ） 或 其 同 源 蛋 白 进 入 细 菌 细 胞 周 质［19 － 20］。 其中，外膜蛋白 PilQ 中腔的直径约为 6 nm［21 － 22］，理 论上能够容纳直径为 2. 4 nm 的双链 DNA 进入。此 外，一组被称作伞毛 或 假 伞 毛 的 蛋 白 同 时 参 与 四 型 伞毛 （ Type IV Pili，T4P ） 的 组 装 / 解 组 和 DNA 摄 取［23］。在 T4P 的 介 导 下，DNA 同 膜 受 体 蛋 白 ComEA 相互作用以便进行下一步的转运。 2. 2 跨越内膜的 DNA 转位
孙东昌等： 细菌自然转化的分子机制研究进展． / 微生物学报（ 2012） 52（ 1）
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将主要讨论细菌自然转化。 为应 对 外 界 压 力，不 同 种 类 的 细 菌 进 化 出 它 们
各自独立的方式控 制 感 受 态 的 建 立，从 而 调 控 获 取 外源 DNA 的过程［1，9 － 11］。例如，在 受 到 抗 生 素 （ 如 氟喹诺酮） 的 刺 激 下，革 兰 氏 阳 性 菌 肺 炎 链 球 菌 形 成细菌自然感受态［12］； 而在革 兰 氏 阴 性 菌 霍 乱 弧 菌 中，壳聚糖可诱导感受态 建 立［10］。 由 于 细 菌 在 各 自 差异巨大的生境中 应 对 的 压 力 条 件 大 不 相 同，感 受 态调控机制通常呈现多样性。而在细菌自然转化过 程中，这些不同的感 受 态 调 控 通 路 却 控 制 着 高 度 同 源的 DNA 摄取和加工相关的基因表达［1，10 。 － 11］
基金项目： 国家自然科学基金（ 31100071） ； 浙江省自然科学基金（ Y3110237） ； 浙江省农业科学院博士启动基金； 浙江 省 农 业 科 学 院 前 瞻 性 项目基金； 浙江省“重中之重学科建设”开放基金 * 通信作者。Tel / Fax： + 86 -571 -86404070 ； E-mail： yanmeizhang81 @ yahoo． com 作者简介： 孙东昌（ 1982 － ） ，男，湖 北 广 水 人，博 士，微 生 物 遗 传 学 和 药 学 研 究。 Tel / Fax： + 86 -571-86404070 ； E-mail： sundongchang@ yahoo． com 收稿日期： 2011 -06 -05 ； 修回日期： 2011 -07-10
在自然条件下，细菌能够主动摄取外源 DNA 并 将其 稳 定 遗 传，该 过 程 被 称 作 自 然 转 化 （ natural transformation） 。自 1928 年 Griffith 首次发现肺炎链 球菌转化以来，细菌 自 然 遗 传 转 化 现 象 已 在 多 种 细 菌中发现。获取外源 DNA 的细菌通常形成了新的 遗传性状，例如抗药性和致病性［1 － 4］。
2 细菌自然转化过程中的 DNA 摄取
无论在革兰氏阳性菌还是在革兰氏阴性菌中， 感受态调控因子都通过起始保守的晚期感受态基因 转录的方式影响自然转化过程。这些晚期感受态基 因的编码产物 执 行 DNA 结 合、摄 取 和 加 工 的 任 务， 从 而 协 助 DNA 跨 越 细 胞 外 膜 （ Outer Membrane， OM，仅 存 在 于 革 兰 氏 阴 性 菌 ） 和 细 胞 内 膜 （ Inner Membrane，IM） 。部分 DNA 进入细胞后被整合为细 菌自身的 遗 传 物 质［5］。 DNA 摄 入 细 胞 的 过 程 可 分 为两步，即跨越外膜的 DNA 摄取（ DNA uptake） 和跨 越内膜的 DNA 转运（ DNA translocation） 。 ［17］ 2. 1 跨越外膜的 DNA 摄取
DNA 摄取 的 第 一 步 是 识 别 和 结 合 外 源 DNA。 在流 感 嗜 血 杆 菌 中，携 带 9 碱 基 对 核 酸 序 列 （ 5'AAGTGCGGT-3'） 的 DNA 能够被选 择 性 地 摄 入 到 细 胞周质中，该特异序列被称作摄取信号序列 （ Uptake Signal Sequence，USS） ［18］。 据 推 测，DNA 摄 取 的 偏
Mini-Review 小型综述
细菌自然转化的分子机制研究进展
孙东昌1 ，张衍梅1，2* ，施跃峰1
1 浙江省植物有害生物防控重点实 验 室，省 部 共 建 国 家 重 点 实 验 室 培 育 基 地，浙 江 省 农 业 科 学 院 植 物 保 护 与 微 生 物 研 究 所， 杭州 310021 2 Department of Pathology，University of Virginia，Charlottesville 22908，USA
细菌自然转化是一个受基因控制的生理状态， 具备 摄 取 外 源 DNA 能 力 的 细 胞 被 称 作 感 受 态 细 胞［5］。自然转化 广 泛 地 存 在 于 细 菌 和 古 菌 中。 目 前，人们已经鉴定出 70 多种不同种类的细菌具备自 然转化能力［6］，其中 包 括 革 兰 氏 阳 性 菌 枯 草 芽 胞 杆 菌 （ Bacillus subtilis ） 和 肺 炎 链 球 菌 （ Streptococcus
在肺 炎 链 球 菌 和 枯 草 芽 胞 杆 菌 中，两 种 感 受 态 调控通路存在进 化 上 的 差 异。 首 先，在 肺 炎 链 球 菌 中，感 受 态 基 因 转 录 依 赖 于 选 择 性 sigma 因 子 ComX； 而 在 枯 草 芽 胞 杆 菌 中，转 录 调 节 因 子 ComK
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摘要： 自然环境中，具备自然转化能力的细菌可以自发地从外界获取 DNA，从而获得新的遗传性状。为能够 自然地被转化，细菌需首先建立一个被称作感受态的生理状态并在此状态下表达 DNA 摄取和加工相关的基 因。DNA 摄取基因的表达产物可组装 一 个 能 将 外 源 DNA 摄 入 细 胞 质 的 蛋 白 复 合 物。 在 细 胞 质 中，进 入 的 DNA 可同基因组 DNA 发生同源重组或建立成一个独立的质粒。一般 DNA 摄入细胞的过程可分为两个阶 段 ，即 从 外 部 基 质 到 细 胞 周 质 和 跨 细 胞 内 膜 的 转 运 。 近 年 来 ，包 括 作 者 在 内 的 研 究 人 员 发 现 大 肠 杆 菌 中 存 在 新的自然质粒转化模式。本文将首先综述近年来细菌自然转化的分子机制，随后 简 要 介 绍 大 肠 杆 菌 中 独 特 的自然质粒转化模式。 关键词： DNA 摄取，感受态，自然转化，质粒转化，大肠杆菌 中图分类号： Q933 文献标识码： A 文章编号： 0001 － 6209（ 2012） 01 － 0006 － 06
1 细菌转化中的感受态调控
当枯草芽胞杆菌开始进入平台生长期或者从营 养丰富培养基转移 至 营 养 贫 瘠 培 养 基 中，它 便 开 始 形成自 然 转 化 感 受 态，并 且 该 状 态 将 维 持 一 段 时 间［9］。在枯草 芽 胞 杆 菌 感 受 态 建 立 时，由 comX 基 因编码的信息素 ComX 通过双组分系统将感受态信 号传递至细 胞 内［9］。 当 ComX 积 累 到 一 定 程 度 时， ComX 与细 胞 膜 蛋 白 ComP 结 合 并 导 致 ComP 磷 酸 化，接 着 磷 酸 化 的 ComP 将 磷 酸 基 团 转 移 至 其 效 应 蛋白 ComA； 然 后 磷 酸 化 的 ComA 可 启 动 阻 遏 蛋 白 ComS 表 达，从 而 阻 止 转 录 因 子 ComK 降 解 使 得 ComK 得 以 积 累［13］； 最 后 ComK 识 别 相 应 功 能 基 因 的启动子区（ 被称作 ComK box） 从而起始 DNA 摄取 和加工 相 关 基 因 的 转 录［9］。 与 枯 草 芽 胞 杆 菌 感 受 态建立的时间不同，肺 炎 链 球 菌 在 对 数 生 长 期 建 立 短暂的感受态［7］。肺炎链球菌的感受态信息 素 CSP （ Competence-Stimulating Peptides ） 由 comC 基 因 编 码，在对数生长期分泌； CSP 积累到一定程度后可结 合膜蛋白 ComD 并 使 之 磷 酸 化，磷 酸 化 的 ComD 将 磷酸 基 团 传 递 给 ComE 使 之 能 够 激 活 sigma 因 子 ComX 的编码基 因 转 录［14 － 15］，最 终 ComX 识 别 功 能 基因的启动子区特异序列 （ 被称作 ComX box） 并起 始 这 些 基 因 的 转 录［16］ 。
DOI:10.13343/j.cnki.wsxb.2012.01.009
微生物学报 Acta Microbiologica Sinica 52（ 1） ： 6 － 11； 4 January 2012 ISSN 0001 － 6209； CN 11 － 1995 / Q http： / / journals． im． ac． cn / actamicrocn
pneumoniae） 以 及 革 兰 氏 阴 性 菌 奈 瑟 氏 淋 球 菌 （ Neisseria gonorrhoeae） 、流 感 嗜 血 杆 菌 （ Haemophilus influenzae） 和霍乱弧菌（ Vibrio cholerae） 。
在多数具备自然转化能力的细菌中（ 如肺炎链 球菌） ，感受态是一 个 短 暂 的 状 态［7］； 而 在 另 外 一 些 情况中，感受态存在于细菌 （ 如 奈 瑟 氏 淋 球 菌 ） 的 整 个生命周期［8］。自然 转 化 不 同 于 人 工 转 化，因 为 后 者需要热激和钙离子诱导或电击。在基因工程应用 上，为将外源 基 因 整 合 到 基 因 组 DNA （ 包 括 基 因 敲 除） ，一般需采取自 然 转 化 的 方 式 导 入 基 因； 而 在 构 建含目标基因的重 组 质 粒 时，则 需 采 取 人 工 转 化 的 方式将质粒 DNA 转入细胞。在以下的介绍中，我们
革兰氏阴性菌流感嗜血杆菌的感受态建立受转 录 调 节 因 子 Sxy 和 cAMP 受 体 蛋 白 CRP （ cAMP Receptor Protein） 共 同 调 控［11］。 流 感 嗜 血 杆 菌 从 营 养丰富的培养基转 移 至 营 养 贫 瘠 的 培 养 基 时，细 胞 饥饿信号分子 cAMP 浓 度 将 增 高，从 而 激 活 其 受 体 蛋白 CRP。在 流 感 嗜 血 杆 菌 感 受 态 操 纵 子 的 启 动 子区上存在一段特殊的 CRP 结合位点，其核心序 列 为 TGCGAA［11］。在 Sxy 的 作 用 下，激 活 的 CRP 结 合其在靶标基因的启动子上的作用位点（ 该位点因 此被称作 CRP-S ） ，从 而 起 始 相 关 感 受 态 基 因 的 转 录。这些感受态基因的编码产物承担着 DNA 摄取 和加工的任务，并可将摄入的外源 DNA 整合到细菌 基 因组上［11］。