ArlS/ArlR和YycG/YycF协同调控表皮葡萄球菌生物膜形成的机制

Due to the ability to adhere to biomaterials and form multilayered biofilm, Staphylococcus epidermidis becomes a frequent nosocomial pathogen responsible for implanted medical devices related infections that could hardly be cured. Previous studies by our lab revealed that two two-component signal transduction systems, YycG/YycF (an essential regulator of S. epidermidis growth) and ArlRS, play important roles in biofilm formation. Besides, inter-regulation between YycG/YycF and ArlS/ArlR exists. Furthermore, YycG inhibitors can elicit detachment of mature biofilms. In the project, we will investigate the interaction between YycG/YycF and ArlS/ArlR including inter-regulation and crosstalk (cross regulation). Next, yycF/G gene will be silenced by using antisense RNA. The changes of phenotype, transcriptome and proteome profiling of mutants and wild-type strains will be characterized by bioassay, RNA-seq and 2D-DIGE, respectively, which will be compared with the corresponding data from the arlRS gene knockout mutant. Further, the genes regulated by both YycG/YycF and ArlS/ArlR systems will be identified, and their functions in biofilm formation will be determined. Thus, the cross regulation mechanism of YycG/YycF and ArlS/ArlR in biofilm formation will be revealed. On the basis, the mechanisms of anti-biofilm effects of YycG inhibitors will be expected to elucidate.

表皮葡萄球菌是医院感染的重要病原体，可形成生物膜（Biofilm）而导致生物膜相关疾病，已成临床治疗难题；阐明生物膜形成的调控机制将有助于发现防治生物膜相关疾病的新策略。本实验室前期研究发现YycG/YycF和ArlS/ArlR双组分系统在表皮葡萄球菌生物膜形成中发挥重要作用，并存在相互调控；YycG抑制剂可清除生物膜。本项目拟深入研究YycG/YycF和ArlS/ArlR协同调控表皮葡萄球菌生物膜形成的机制：构建yycFG沉默菌株和arlRS基因敲除株，比较细菌表型、转录谱和蛋白谱的差异，发现并确证二者交叉调控的生物膜相关基因及其功能；同时研究YycG/YycF和ArlS/ArlR相互作用（Crosstalk），从而阐明其协同调控生物膜形成的机制。本项目有望首次在表皮葡萄球菌中发现双组分系统之间存在crosstalk、揭示YycG抑制剂的抗生物膜机理，为发现防治生物膜病的新策略奠定基础。

表皮葡萄球菌是医院感染的重要病原体，可形成生物膜而导致生物膜相关疾病，已成临床治疗难题。本课题研究了YycG/YycF和ArlS/ArlR双组分系统协同调控表皮葡萄球菌生物膜形成的机制。构建了yycFG沉默菌株和arlRS基因敲除株，发现yycFG沉默菌株的细胞壁局部破裂，分裂呈现异常形态，细菌生长和生物膜形成受到明显抑制，自溶明显增强，初始黏附增加并形成团块，PIA合成略有增强。arlRS敲除株生物膜形成亦受到明显抑制；自溶明显增强，初始黏附减弱，PIA合成明显下降，Aap蛋白表达下降。提取arlRS敲除株生长4h、10h的mRNA进行RNA-seq检测，发现4h时，8个基因的表达水平上调2倍以上，8个基因的表达水平降低2倍以上。10h时，37个基因的表达水平上调2倍以上，133个基因的表达水平降低2倍以上。其中spx和ica操纵子的表达水平在两个时间点均显著下调，进一步构建了spx沉默菌株和ica敲除株，发现生物膜形成均显著下降。通过YycF结合的基序分析，我们找到了潜在的可被YycG/YycF与ArlS/ArlR共同调控的下游生物膜形成相关基因：ica操纵子、ebh、sarR、sarA、aap，均在生物膜形成过程中发挥重要作用。通过EMSA验证了ArlR与YycF均能与ica操纵子的启动子区结合；此外，YycF可与arlR启动子结合，而ArlR与yycF的启动子区则未检测到结合；但ArlR能特异性结合spx的启动子区。进而通过DNase I足迹试验确定了YycF所结合的arlR和ica启动子区序列。研究表明，YycG/YycF和ArlS/ArlR可协同调控ica操纵子表达；此外，YycF可通过调节arlRS转录间接调控spx的表达从而影响生物膜形成。在此基础上筛选了针对YycG/YycF和ArlS/ArlR系统的抑制剂，发现了具有较强的抗生物膜活性的小分子化合物。