变异链球菌small RNAs连接LuxS密度感应与生物膜形成的机制研究

LuxS system mediates quorum sensing in Streptococcus mutans, also regulates biofilm formation. However, the molecular mechanism of LuxS-mediated quorum sensing to biofilm formation has been poorly understood. Small RNAs fine-tune the expression of target genes at post-transcriptional level and function as effectors of quorum-sensing signal transduction pathways in many bacteria, but the information of small RNAs in quorum sensing of S. mutans is limited. Based on the previous research, the applicant approved for the first time: the existence of specific S. mutans LuxS-related small RNAs (SmqsR2/4) and this kind of small molecules could affect biofilm formation. Therefore, the applicant hereby put forward the new hypothesis: LuxS system could regulate biofilm formation by the globally post-transcriptional repression or activation of SmqsR2/4 in S. mutans. In order to verify the hypothesis, mutant assay, in vivo RNA proximity ligation method, animal study would be applied in this project. The goal of this study was to define: the molecular and biological characteristics of SmqsR2/4; the specific molecular mechanism of SmqsR2/4 regulating biofilm formation at post-transcriptional level; the effect of SmqsR2/4 on S. mutans biofilm cariogenic pathogenicity expression. This project would focus on the SmqsRs-based bacterial riboregulation, and provide a new perspective of valid management for dental caries prevention and therapy.

LuxS系统调控变异链球菌密度感应行为，同时影响生物膜形成能力，然而LuxS密度感应与生物膜形成之间的具体机制仍不明确。Small RNAs在细菌转录后水平微调靶标基因表达，是多种细菌密度感应系统的体内效应子，目前未见报道于变异链球菌LuxS密度感应系统。申请者前期研究发现变异链球存在一类特殊的LuxS相关small RNAs（SmqsR2/4）并且可能参与调控生物膜形成。据此申请者提出变异链球菌LuxS密度感应系统通过SmqsR2/4转录后水平调控生物膜形成的科学假说。课题拟采用突变株实验、RNA近端连接检测、动物龋病模型等微生物学和分子生物学技术：1.阐明SmqsR2/4的分子生物学特性和功能；2.探究SmqsR2/4转录后水平调控生物膜形成的分子机制；3.明确SmqsR2/4对生物膜致龋性的作用效应。课题从small RNAs的核酸调控机制研究出发，以期为龋病的防治展开新的研究方向。

变异链球菌是重要的致龋病微生物，其在口腔中主要以生物膜形式与其他细菌共生。LuxS系统调控变异链球菌密度感应行为，同时影响细菌生物膜形成，然而LuxS系统调控生物膜形成的具体机制仍不明确。密度感应系统在不同种类的细菌中差异很大，小分子RNA多种细菌密度感应系统的体内效应子。前期研究发现变异链球存在一类特殊的LuxS相关small RNAs(SmqsRs)并且可能参与调控生物膜形成。本研究深入探索变异链球菌内SmqsRs的表达模式以及对生物膜形成的调控作用。通过转录组测序及生物信息学分析筛选差异化表达的小分子RNA，进一步通过Northern blot、RT-PCR及qrtPCR等分子生物学技术交互验证SmqsRs的表达模式。通过构建不同水平SmqsRs表达突变株，经结晶紫染色法、蒽酮法、SEM、CLSM及qrtPCR等技术明确SmqsRs作为LuxS系统体内效应子调控生物膜形成。经转录组分析及EMSA验证，明确SmqsRs的上下游调控网络，探索SmqsRs发挥作用的具体分子机制。构建大鼠龋病模型，明确SmqsR2/4对生物膜致龋性的作用效应。本研究首次证实变异链球菌内存在LuxS系统相关小分子RNA，Streptococcus mutans quorum-sensing related small RNAs (SmqsR2/4)，调控生物膜形成过程，影响细菌生物膜致龋性表达。SmqsR2/4与luxS基因表达量正相关，在对数生长中期表达量最高，在多糖/寡糖培养条件下具有显著性差异表达；SmqsR2/4过表达可回复luxS基因缺失株内减少的胞外多糖，形成较为致密的生物膜结构，表明SmqsR2/4作为变异链球菌LuxS系统的体内效应子调控生物膜的形成；SmqsR2/4过表达可显著提高细菌溶性和水不溶性胞外多糖的产量，促进生物膜内细菌聚集成团块外包含大量胞外基质，上调胞外多糖编码基因及转录因子ccpA，增强细菌生物膜致龋性表达。本研究依次从分子机制到生物表型层面阐明了变异链球菌LuxS密度感应系统对生物膜形成的调控机制，探索密度感应信号系统对生物膜致病性的作用效应，有助于解释前期工作中发现的问题，从理论上丰富生物膜调控网络的研究，为将来通过干扰口腔生物膜信息传递防龋途径的研究奠立基础。