西北农林科技大学张磊/沈锡辉/福建师范大学欧阳松应发现III型分泌系统的调控新机制

循环di-GMP（c-di-GMP）将细胞外刺激转化为细胞内反应，协调大量重要的生物过程。低水平的c-di-GMP通常与高毒力行为有关，这取决于编码的III型分泌系统（T3SS）效应子，而c-di-GMP水平升高导致T3SSs的抑制。然而，调节c-di-GMP代谢以控制T3SS的细胞外信号和将环境刺激传递给T3SS活性变化的c-di-GMP效应子在很大程度上仍然模糊不清。

2022年11月5日，西北农林科技大学张磊、沈锡辉和福建师范大学欧阳松应共同通讯在Nature Communications 发表题为“Autoinducer-2 and bile salts induce c-di-GMP synthesis to repress the T3SS via a T3SS chaperone”的研究论文，该研究表明群体感应信号自动诱导剂-2（AI-2）通过含有GAPES1结构域的二鸟苷酸环化酶（DGC）YeaJ诱导c-di-GMP合成，以抑制鼠伤寒沙门氏菌中的T3SS-1基因表达。能够感测AI-2的YeaJ同系物存在于属于肠杆菌的许多其他物种中。

该研究还揭示了牛磺胆酸盐和牛磺脱氧胆酸盐与DGCYedQ的感觉域结合以诱导c-di-GMP的细胞内积累，从而抑制T3SS-1基因的表达。此外，我们发现c-di-GMP通过与广泛保守的T3SS伴侣CesD/SycD/LcrH家族结合，负向控制T3SSs的功能。总之，该研究结果支持一种模型，在该模型中，细菌感知种群密度的变化和宿主衍生的线索来调节c-di-GMP合成，从而通过c-di-GMP响应的T3SS伴侣调节T3SS的活性。

另外，2022年11月2日，福建师范大学欧阳松应团队在Nucleic Acids Research（IF=19）在线发表题为“Structural insights into target DNA recognition and cleavage by the CRISPR-Cas12c1 system”的研究论文，该研究通过CRISPR-Cas12c1系统进行了对靶DNA识别和切割的结构研究。该研究报道了报告了Cas12c1与单向导RNA（sgRNA）和含有5'-TG-3' PAM的靶双链DNA（dsDNA）复合的晶体结构。本研究通过生物化学和突变分析，揭示了Cas12c1及其相关sgRNA的明显结构特征，以及PAM识别、靶dsDNA解缠绕、异源双链体形成和识别、非靶DNA链和靶DNA链裂解的分子基础。Cas12c1通过一种依赖于序列一致性和Cas12c1诱导的PAM区域构象畸变的机制来识别PAM。Cas12c1的另一个特点是非靶DNA链和靶DNA链都在一个单一的、均匀的位点上裂解，裂解能力和裂解顺序难以区分。该研究还确定了sgRNA种子区域的位置和触发Cas12c1 DNase活性所需的靶DNA的最小长度。总之，该研究的发现为将CRISPR-Cas12c1系统开发成高效、高保真的基因组编辑工具提供了有价值的信息（点击阅读）。

Cyclic-di-GMP（c-di-GMP）是一种重要的第二信使，存在于大多数细菌中，并控制广泛的生物过程。C-di-GMP由含有GGDEF结构域的二鸟苷酸环化酶（DGC）酶促合成，并由含有EAL或HD-GYP结构域的c-二-GMP特异性磷酸二酯酶（PDE）降解.虽然许多细菌物种在其基因组中编码数十种DGC和PDE，但其中许多蛋白质含有与酶结构域相连的周质或细胞质感觉结构域。c-di-GMP的细胞水平由c-di-GMP代谢酶（CME）的表达或活性的变化来调节，以响应群体感应（QS）信号、环境刺激或宿主衍生的线索。

QS是一种依赖于细胞密度的细胞间通讯机制，可协调细菌群体行为，QS取决于称为自动诱导剂的信号分子的产生，释放和检测。虽然大多数已知的自动诱导剂是物种特异性的，但据报道，自动诱导剂-2（AI-2）是一种通用的QS信号，可以由革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌产生，并用于种间和种内交流.QS信号可以通过直接或间接调节CME的表达或活性整合到c-di-GMP信号网络中。还鉴定了一些影响细菌c-di-GMP代谢的特定环境信。此外，生理相关的宿主线索已被证明可以调节霍乱弧菌中的c-di-GMP水平。然而，可以直接调节CME活性和潜在机制的细胞外信号在很大程度上仍未确定。

虽然细胞内c-di-GMP水平在时间和空间上受到控制，但这种无处不在的信号分子对细菌生理和行为的影响依赖于其传感器，C-di-GMP信号传导已被广泛报道用于调节哺乳动物宿主各种细菌病原体的毒力。一般来说，低水平的c-di-GMP与运动和高毒性状态有关，而高水平的c-di-GMP有利于生物膜的形成和慢性感染。然而，第二个信使对T3SS施加影响的c-di-GMP传感器仍未被识别。

研究表明DGCYeaJ通过其Gamma proteobacterP Eriplasmic Sensor（GAPES1）结构域感知AI-2以增加细胞内c-di-GMP水平，从而导致T3SS-1的抑制。研究进一步发现胆汁成分牛磺胆酸盐和牛磺脱氧胆酸盐通过DGCYedQ调节c-di-GMP的细胞内浓度来抑制T3SS-1基因表达。此外，报道了在变形杆菌门内多种细菌病原体中发现CesD/SycD/LcrH家族的T3SS伴侣作为c-di-GMP效应子，从而揭示了c-di-GMP信号输入调节T3SSs活性的广泛保守机制。本研究显著扩展了对病原菌c-di-GMP代谢和识别机制的认识。

文章模式图（图源自Nature Communications ）

总之，本研究不仅提供了QS信号和宿主衍生线索如何调节细菌c-di-GMP代谢的见解，而且还提供了c-di-GMP对细菌T3SS发挥其调节作用的分子机制。这些发现强调了c-di-GMP信号网络的复杂性，该网络可能控制相同的生物过程以响应不同的细胞外刺激。由于c-di-GMP的功能是整合来自各种信号通路的外部输入以进行决策，研究提出了预防细菌感染的新途径。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34607-9

转自：“iNature”微信公众号

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