致病菌甲基转移酶基因重组与表观遗传变异机制的研究

Recent genetic studies have revealed that the restriction modification (R-M) systems are closely associated with pathogenic traits of bacterial pathogens, such as infectivity and virulence. However, the molecular basis behind this intriguing observation remains unclear. Our recent studies discovered extensive site-specific recombinations among the hsdS genes of two type I R-M systems in a multi-drug resistant S. pneumoniae strain ST556. The recombinations lead to complete switch of genome methylation profile (methylome) among the pneumococci carrying different hsdS allelic variants. RNA sequencing analysis revealed that hsdS allelic variations result in significant changes in the transcription of many pneumococcal genes. Furthermore, hsdS allelic variants of pneumococci displayed distinct phenotypic differences in several important characteristics, such as colony opacity and autolysis, indicating that the hsdS recombinations represent a programmed system for epigenetic diversity and phenotypic variation. Finally, the hsdS recombination systems widely exist in many phylogenetically divergent bacteria, suggesting a previously unrecognized common mechanism of epigenetic diversity in prokaryotes. This project will build on these exciting findings to understand how the hsdS recombinations occur in S. pneumoniae and other pathogenic bacteria, and how the resulting epigenetic variations impact the behaviors of these pathogens. It is anticipated that this project will yield paradigm-shifting discovery on the biologic functions of the R-M systems beyond their traditionally viewed role in bacterial defense against phage infection.

近年来的遗传学研究揭示限制-修饰（R-M）系统与细菌的致病性密切相关，但国际上对这个现象背后的分子机理仍然缺乏认识。我们的前期研究发现肺炎链球菌的I型R-M系统中的DNA甲基转移酶hsdS基因之间存在频繁的DNA重组变异，由此导致不同细菌个体之间基因组甲基化谱（表观遗传）的巨大差异。这些表观遗传的变化伴随着不同细菌细胞间在转录组与菌落形态等方面的显著差别，因此提示R-M系统通过甲基转移酶hsdS基因重组变异来提升病原体在宿主环境中的定植能力和致病性。由于hsdS基因重组系统广泛存在于多种不同的细菌，暗示其代表一个前所未知的与细菌适应生存环境相关的重要机制。本项目将研究hsdS基因重组系统在致病菌中调控表观遗传与细菌表型的分子机制。本项目的完成将对细菌致病机制的认识产生突破性的影响，填补国内外在致病菌表观遗传学研究领域的空白，也将为今后新型抗菌药物的研发提供理论基础和分子靶标。

肺炎链球菌是定植与人上呼吸道的正常菌，也是国内外社区型肺炎的主要病原体。其抵御人体免疫系统杀菌的主要包括策略主要包括：1）产生至少100种 结构与抗原性不同的多糖荚膜，由此逃逸吞噬细胞与抗体介导的免疫清除机制; 2）可以在定值型与侵袭型之间可逆性转换。定值型菌的荚膜较薄、对呼吸道上皮的粘附与定植能力较强、但更容易被宿主吞噬细胞捕获清除；相反的，侵袭性型菌则被更厚实的荚膜所包裹，对宿主吞噬杀菌机制有较强的抵抗力、但对呼吸道上皮细胞的粘附较差。因此，一个肺炎链球菌的细胞可以在繁衍过程中自发性产生两种不同的菌体状态，一种更加适应鼻腔环境（定植型），而另一种（侵袭型）则在定植后的侵染过程展现优势。但是，肺炎链球菌在定值型和侵袭型状态之间发生可逆性转换的分子机制长期以来一直未知。 .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定值型与侵袭型状态之间可逆性转换的表观遗传机制。主要的研究进展总结为四个方面。第一，发现甲基转移酶hsdS基因的可逆性翻转重组产生定植型与侵袭型之间的转换。主要结果发表在本领域顶级杂志PLOS Pathogens。该论文发表后被Nature Reviews Microbiology作为国际微生物遗传学方面的重大研究成果做了专门点评。第二， 发现PsrA翻转酶催化hsdS基因翻转重组。主要结果分别发表在Journal of Bacteriology和Frontiers in Molecular Bioscience 杂志。其中发表在Journal of Bacteriology的论文被编辑列为当期点评论文。第三，发现肺炎链球菌利用多个双组份信号传导系统调控菌落相变的方向性。这个研究成果代表了病原生物学领域的一个突破性进展。其结果最近发表在PLOS Pathogens杂志。第四，最近发表在Nucleic Acids Research 杂志的研究结果揭示hsdS基因的可逆性翻转重组系统广泛存在于进化关系疏远的大量宿主适应性细菌。在国际上首次将这类可翻转系统总体命名为“表观遗传翻转子”（epigenetic inverton）。这个发现暗示“表观遗传翻转子”系统是宿主适应性细菌用来适应宿主环境的一个普遍表观遗传机制。本项目的研究成果对社区型肺炎的防控提供了重要的理论基础与潜在的药物靶标。