噬菌体PAXYB1关键早期基因参与裂解铜绿假单胞菌的机制研究

Pseudomonas aeruginosa poses a therapeutic challenge because of their extensive drug resistance. It is extremely urgent to develop new antimicrobial agents to defend their drug-resistant strains. Bacteriophages have the advantages of high specificity and fast proliferation, and therefore have the potential to treat the infections of Pseudomonas aeruginosa drug-resistant strains. However, interaction between phages and their hosts must be clear before phages can be widely used for antibacterial application. In our previous investigations, we have isolated phage PAXYB1 with high ability to lyse drug-resistant P. aeruginosa. RNA-seq and growth inhibition test suggested that the early genes of PAXYB1 are critical to infection of the host. But the molecular mechanism is not clear. In this project, we will detect the gene expression changes of PAXYB1 and its host in the infection cycle using ribosome profiling and the previous RNA-seq, and reveal the interaction between PAXYB1 and its host. Based on these advances, we will identify the key early genes and their target genes of the host. Then we will investigate the mechanism how the early genes regulate the gene expression of P. aeruginosa. The project will facilitate understanding of their interactions between phages and their hosts, and provide the theory basis for fighting against infections of drug-resistant P. aeruginosa.

铜绿假单胞菌的耐药问题日益严峻，给临床治疗造成了极大困难，急需开发出针对其耐药菌株的新型抗菌制剂。噬菌体具有特异性强、自我增殖快等优点，具有控制耐药性铜绿假单胞菌感染的巨大潜力。然而，要将噬菌体真正应用还需要更全面了解噬菌体的杀菌机制及其与宿主菌之间的相互作用。申请人前期分离鉴定了一株对耐药性铜绿假单胞菌具有普遍杀菌能力的新型毒性噬菌体PAXYB1，转录组测序和初步的宿主菌生长抑制实验表明PAXYB1的早期基因对感染宿主菌的过程至关重要，但具体的分子机制仍不清楚。在本项目中，我们拟通过核糖体谱技术和前期转录组测序相结合，全面解析PAXYB1与宿主菌之间的相互作用网络，结合实验确定PAXYB1关键性的早期基因及相应的宿主菌靶基因，并进一步阐释两者的调控机制。本项目的研究工作将有助于深入了解噬菌体和宿主菌相互作用的具体分子机制，为噬菌体用于对抗铜绿假单胞菌的感染提供理论基础。

铜绿假单胞菌的耐药问题日益严峻，急需寻找新的针对其耐药菌株的方法。噬菌体因其特异性强、毒副作用小等优点，有望成为控制耐药菌感染的新型抗菌制剂。然而，要将噬菌体真正应用除了筛选更多的性质优良的噬菌体外，更重要的是需要对噬菌体的杀菌机制及其与宿主菌之间的相互作用有全面深入的了解。课题组前期分离鉴定了一株对耐药性铜绿假单胞菌具有普遍杀菌能力的新型毒性噬菌体PAXYB1，是很好的噬菌体治疗研究候选材料，因此本项目便围绕此噬菌体，研究其关键性的早期基因参与裂解宿主菌的机制，以及该噬菌体和宿主菌之间的相互作用关系。主要研究内容和结论如下：（1）通过转录组测序，阐释了感染过程中噬菌体PAXYB1基因和宿主菌基因表达的动态过程，发现噬菌体PAXYB1可以通过自身基因的级联表达，调控宿主菌的多种生命过程如氮代谢、双组分系统等，从而进一步感染裂解宿主菌。（2）利用过表达早期基因、SNP测序和基因敲除等分子生物学方法，发现噬菌体PAXYB1编码的orf16为关键的早期基因，其通过作用于宿主菌的cyaB和vfr等基因，显著抑制宿主菌的生长。同时，orf16可能通过cAMP/Vfr通路，即调控腺苷酸环化酶产生cAMP，进一步与Vfr蛋白结合，调控下游基因的表达，参与噬菌体PAXYB1侵染裂解宿主菌的过程。（3）我们还鉴定了2株新的噬菌体vB_PaeP_YA3和vB_ShiP-A7，并且比较了它们与噬菌体PAXYB1的生物学特性和基因组的相似性与差异性。通过本项目的研究工作，我们对噬菌体和宿主菌相互作用的具体分子机制有了更深入的认识，并且找到了具有潜在应用价值的噬菌体基因orf16，为噬菌体用于对抗耐药菌的感染提供了理论和实践基础。