毒素-抗毒素系统HicAB调控ExPEC生物被膜形成的机制

Extraintestinal pathogenic Escherichia coli (ExPEC) strains are important pathogens that cause a variety of threat to livestock husbandry, food industry and human health, additionally the multi-drug resistance and biofilm formation of ExPEC increase the difficulty of control and therapy for infection. Biofilm plays important roles in the bacterial growth against adverse environment, which is closely connected with pathogenicity, antibiotic resistance, immune evasion and so on. And toxin-antitoxin systems that control and regulate the different physiology are widespread in the bacterial chromosome. Our results showed that deletion of toxin-antitoxin genes hicAB, hipAB, yhaV-prlF and yafON in ExPEC significantly reduced the biofilm formation, especially in hicAB gene, but the molecular mechanism is still unclear. In this study, through the deletion of toxin-antitoxin gene hicAB in ExPEC and its complement srain, the roles of HicAB in biofilm formation will be clarified, and the differently expressed genes will be identified using RNA-seq technique in ExPEC biofilm formation. The network regulation between HicAB and differently expressed genes will be researched to illuminate the mechanisms that HicAB is affecting the ExPEC biofilm formation. This work will lay the foundation for further research of toxin-antitoxin systems regulating biofilm formation in the future.

肠外致病性大肠埃希菌(ExPEC)是一种重要的病原菌，近年来其对畜牧业（猪、禽、牛羊）、食品业和人类健康的造成了严重的威胁，多重耐药性和生物被膜形成更增加其防控难度。生物被膜在细菌抗逆生长中发挥着重要作用，其与细菌的致病性、耐药性、免疫逃逸等有着密切的关系；而毒素-抗毒素系统也普遍存在于细菌的基因组中，调节细菌的不同生理活动。本项目通过缺失肠外致病性大肠埃希菌的毒素-抗毒素系统hicAB，阐明hicAB在生物被膜形成中的作用，并通过RNA-seq技术挖掘hicAB影响生物被膜形成的差异关键因子，研究hicAB与差异关键因子之间的调控关系，解析hicAB系统调控生物被膜形成的初步机制和机理，为深入研究T-A系统调控生物被膜形成奠定基础。

细菌生物被膜是细菌粘附聚集到有生命或无生命固体表面的一种群体性行为，具有广泛的危害性，是细菌为了适应环境而长期存活采取的一种策略。毒素-抗毒素系统（T-A）普遍存在于细菌和古细菌中，包括人类和动物的致病菌，在细菌的生理活动中发挥着重要作用，包括维持基因组的稳定性、促进抗生素压力下持留细胞的形成、增强噬菌体感染的耐受性、调控细菌细胞程序性死亡、在细菌致病中发挥作用，并且参与细菌的生物被膜形成。因此T-A系统成为了多重耐药病原菌致病机理和防控技术研究的新靶标，引起了国内外研究者的高度关注。本研究构建了猪源肠外致病性大肠杆菌（ExPEC）野生型（WT）T-A系统hicAB基因缺失突变株（ΔhicAB）和回复补偿株（Cm），证实HicAB缺失不影响细菌的生长曲线，但ΔhicAB菌株对氯霉素的敏感性提高了4倍，并且对血根碱的敏感性也提高了2倍；与WT菌株强生物被膜形成能力相比，ΔhicAB菌株具有中等能力的生物被膜形成能力，其生物被膜形成能力显著下降。通过对参与生物被膜形成过程中的curli菌毛、cellulose以及外膜蛋白的基因表达量分析，表明hicAB缺失不影响生物被膜形成早期的细菌与细菌、细菌与物体表面的粘附能力，而与细菌外膜结构的完整性相关，其hicAB缺失主要影响细菌生物被膜的晚期形成和成熟，并且与外膜蛋白参与应激反应相关。通过对hicAB与外膜蛋白TolC之间的关系研究表明，1/2 MIC血根碱、白屈菜红碱、原阿片碱可以不同程度的抑制WT菌株hicA和hicB基因表达，相反促进了ΔtolC菌株hicA和hicB基因的表达。因此，hicAB缺失造成ExPEC细菌TolC表达量显著增高从而提高细菌对于外界不利环境应激的响应能力，细菌外膜完整性对于II型T-A系统HicAB生理作用的发挥具有重要的影响作用，结果表明hicAB缺失后生物被膜形成能力的下降与外膜蛋白参与应激反应相关。以上研究结果表明hicAB缺失造成ExPEC生物被膜形成能力的下降或许与外膜蛋白TolC之间具有一定的调控关系，细菌外膜完整性对于HicAB系统影响生物被膜的形成具有一定的作用。