肺炎链球菌荚膜合成基因转录调控机制的研究

Streptococcus pneumoniae (pneumococcus) is an important pathogen of pneumonia, otitis media, and meningitis in humans. Polysaccharide capsule is the most important virulence factor for immune evasion and the current vaccine antigen. Previous studies have shown that S. pneumoniae regulates the thickness of the capsule under various environmental conditions. However, the molecularmechanism(s) behind this regulation remains unclear. Our laboratory has recently characterized the transcription of pneumococcal capsular polysaccharide (cps) biosynthesis gene locus in strain D39. The result showed that the 17 genes in the cps locus of D39 are co-transcribed as an operon from a common promoter immediately upstream of the cps2A, the first gene of this locus. In addition to our discovery of the transcriptional start site and key promoter sequences of the cps genes, we also identified an enhancer sequence upstream of the promoter. In this application, we seek to determine how the enhancer sequence promotes the transcription of the cps genes, and identify cellular factor(s) that interacts with the enhancer. Finally, we will screen for anti-bacterial small molecules that inhibit the transcription of the cps genes and thereby the biosynthesis of the pneumococcal capsule. Because capsule polysaccharide is a common structure among pathogenic bacteria, this study will not only enhance our understanding of S. pneumoniae adaptation to different human niches, but will also have broad impact on our understanding of pathogenic mechanisms in other encapsulated pathogens.

肺炎链球菌是重要临床致病菌。包裹在该病原菌表面的多糖荚膜是其主要免疫逃逸细胞结构、致病因子和疫苗抗原。过去的研究发现肺炎链球菌可以随着环境的变化调控其荚膜厚度，但是这个重要调控现象背后的分子机制目前仍然不清楚。我们围绕这个科学问题先后开展了一系列的前期研究，发现致病菌株D39中的17个荚膜合成相关基因共同转录为一个mRNA;确定了这些基因的转录起始位点和启动子。在这个基因启动子的上游还发现了一个与荚膜合成基因的转录相关的操纵子序列。本项目将利用我们实验室在这个研究领域的技术和资源优势，来探讨肺炎链球菌如何调控荚膜厚度的分子机制，进一步筛选发现抑制荚膜合成的抗菌小分子化合物。由于荚膜在致病菌中普遍存在，本项目的完成不仅会提高我们对肺炎链球菌适应人体环境条件分子机制的认识，而且还将对进一步理解其他病原菌的致病机制产生广泛的影响。我们的研究将填补国内外在病原菌菌荚膜合成研究方面的一个重要空白。

肺炎链球菌是国内外引发肺炎的重要人类致病菌，其表面包被的多糖荚膜是逃逸人体免疫系统的重要致病因子。肺炎链球菌具有自然转化的能力，可以从环境中获取裸露的DNA并整合到基因组上，这使得该菌多糖荚膜合成基因簇的启动子和编码区高度变异。肺炎链球菌荚膜合成基因簇由相同的启动子共同转录为一个mRNA，其启动子区序列包括四个主要的序列区段：insertion sequence （IS630-Spn1），RUP（repeat unit of pneumococcus），SS（spacing sequence）和核心启动子。其中SS序列和核心启动子对荚膜合成基因簇的转录是不可或缺的，因此对肺炎链球菌的毒力也是至关重要的，但是目前在核苷酸水平上尚不清楚SS序列对荚膜产生和功能的贡献。另外，荚膜合成基因簇的整个启动子也是高度多变的，启动子序列的多态性是否具有生物学意义一直未知。.在我们前期研究的基础上，本项目的研究结果揭示了肺炎链球菌启动子区对荚膜合成的转录调控机制以及宿主特异性响应肺炎链球菌的感染。主要的研究进展总结为三个方面。第一，发现SS序列的第-36、-40和-45位核苷酸对荚膜合成基因的转录以及在小鼠中逃避吞噬杀伤和毒力是必不可少的。第二，通过对肺炎链球菌临床分离株荚膜合成基因簇启动子的分析发现，启动子区域具有核苷酸的多态性、序列长度的可变性、序列模块的选择性保留以及不同组合和启动子与编码区随机组合的特点。启动子的多态性导致菌株间荚膜合成基因转录的差异，进而影响肺炎链球菌荚膜的产量和毒力。主要结果发表在杂志Scientific Reports上。第三，发现荚膜合成基因的单碱基突变导致荚膜类型的改变，对肺炎链球菌的毒力产生了巨大影响，同时，宿主针对不同毒力的肺炎链球菌进化出特异性的响应机制。综上所述，肺炎链球菌通过自然转化能力，既改变荚膜的类型，又改变荚膜厚度，这是该菌应对宿主体内选择压力进化的结果，而宿主通过特异性的响应机制应对不同毒力肺炎链球菌的感染。我们的研究有助于更好地理解肺炎球菌免疫逃避和致病过程中荚膜的产生和功能，以及宿主针对不同毒力菌株感染的特异性免疫应答，为临床上肺炎链球菌的防治提供重要的指导依据。