溶藻弧菌中受控的膜内蛋白水解(RIP)信号转导调控群体感应系统和毒力表达的温控开关分子机制

In summer and other seasonal conditions where sea surface temperature increases, vibrios cause disease outbreaks in sea animals and the underlying mechanisms are yet unknown. Vibrio alginolyticus is the leading pathogen threatening marine aquaculture industries. The major virulence factor, exotoxin Asp, is subjected to tight control by quorum sensing (QS). Asp expression is increased in concomitant with the elevation of temperature at 22-37℃, and such a regulation is independent of cell density but under the control of the RseA-RpoE mediated regulated intramembrane proteolysis (RIP) signal transduction system. In order to further illuminate the temperature regulated QS and virulence expression, we set out to analyze the RIP activation cascade with the increase of temperature, identify the key thermosensors that reside in the membrane and sensing the temperature change in the RIP signaling cascade, and investigate the thermo-structure mechanisms, which dynamically release and activate membrane-bound RpoE. In addition, we will investigate how the bacterium deploys the non-cell-density signaling circuit and integrates signals of temperature and cell density into the complex QS regulatory system to fine-tune virulence expression.

夏季和气候变化导致海水表面温度上升时弧菌造成海洋动物疾病爆发，其分子机理不清楚。溶藻弧菌是我国海水养殖重要病原菌。其主要毒力因子外毒素Asp受到群体感应系统调控作用。前期研究发现, 该菌能在22-37℃随温度上升调控Asp表达。该过程不受细胞密度调控，但依赖于RseA-RpoE介导的受控的膜内蛋白水解(RIP)信号转导系统。该系统在膜受到应激时利用周质空间蛋白酶切割并从膜上释放和活化sigma因子RpoE，从而激活相关基因表达，响应膜应激信号。为揭示温度调控群体感应和毒力表达的机制，本课题拟分析随温度升高RIP信号系统激活的规律，鉴定RIP信号转导通路中膜蛋白和其他响应温度升高的关键温度感应子，探究它们响应温度变化后的构效关系，以及动态影响RIP信号通路的分子机制，从而阐明溶藻弧菌如何利用非细胞密度依赖性的温度信号转导系统，并整合到复杂的群体感应系统中，精密调控毒力的表达。

环境变化引起的海水温度升高是弧菌病爆发的主要因素。作为重要的海水养殖动物细菌性疾病的主要病原菌之一，溶藻弧菌的毒力和致病性响应温度，但其中的具体机制仍不清楚。本研究利用rpoE转录报告系统深入研究了温度调控溶藻弧菌受控的RseA-RpoE介导的膜内蛋白水解 (RIP) 信号通路激活规律。并且采用Tn-seq技术系统鉴定了温度调控RIP信号通路关键因子和温度感应子。发现外膜孔蛋白OmpU和OmpC能调控可替换σ因子RpoE和群体感应中枢元件LuxR，两者是该菌的温度感应子。OmpU和OmpC的构象变化能通过其C-端YxF激活RIP信号转导系统响应温度，并逐级传递信号激活RpoE，进一步通过LuxR参与群体感应并影响毒力。受RpoE调控的新型的σ因子RpoX在溶藻弧菌响应高温时也发挥至关重要的作用。区别于RpoE的是，RpoX拥有独立的调控元，参与溶血活性、运动性等毒力基因的表达。另一个受RpoE调控并响应温度的是LuxR。作为全局调控因子，LuxR可调控上千个基因的表达。本研究系统性地鉴定了LuxR的调控元，发现其既可充当激活子的角色又可发挥抑制子的作用，扮演不同角色时其与DNA的结合模式不同。通过解析LuxR-DNA复合物的晶体结构发现LuxR与激活型DNA或抑制型DNA结合时的亲和力不同。LuxR的延伸区域LuxR-arm与抑制型DNA的接触更为广泛，尤其是LuxR-arm的两个关键位点Arg9和Arg11在LuxR识别、结合和调控DNA过程中发挥重要作用，这使得LuxR可灵活地选择激活或抑制基因的表达。LuxR与DNA的结合模式响应温度，高温造成的压力使得LuxR与DNA的结合模式改变、结合亲和力明显下降，LuxR得以在温度变化时充当毒力基因表达的开关。综上所述，本研究系统地阐明了溶藻弧菌响应温度时通过RIP途径将信号传递至群体感应并调控毒力与致病性的分子机制，为深入理解弧菌的温度依赖性条件致病机制和开发新型防控措施打下基础。