糖原分子结构形成机制及其对细菌环境生存能力的影响研究

Bacterial environmental viability is closely related to the probability of indirect transmission of infectious diseases. Numerous studies have shown that glycogen is an important carbon source and macromolecular energy reserve. Its accumulation can prolong bacterial survival time in environment. However, the molecular structure of bacterial glycogen and its formation mechanisms are not yet clear. The influences of glycogen structure on bacterial environmental viability still need further exploration. Previous studies have shown that the average chain length gc of glycogen is polymorphic in bacteria and is controlled by different types of glycogen branching enzymes. In addition, gc value is theoretically correlated with bacterial environmental survival time. Preliminary results confirmed for the first time that bacterial glycogen has a more advanced α particle structure in both stable and fragile states. Glycogen α particles have potential relationships with bacterial environmental viability, but its formation mechanism is not clear. In order to elucidate the mechanisms of glycogen structure formation and its impact on bacterial environmental viability, this project intends to use Escherichia coli as a biological model to screen genes related to glycogen structure and explore the genetic basis of glycogen molecular structure formation. Relationships between glycogen molecular structure and bacterial environmental viability will also be established. This research is conducive to improving the understanding of bacterial survival mechanism in environment, and at the same time suggesting new targets for the research of antibacterial drugs.

细菌的环境生存能力和感染性疾病的间接传播几率密切相关。大量研究表明，糖原作为重要碳源和大分子储能物质，它的积累可以延长细菌的环境存活时间。然后，目前有关细菌糖原的分子结构及其形成机制尚不明确，有关糖原结构对细菌环境生存能力的影响仍需进一步探索。前期研究显示，糖原的平均链长gc在细菌中具有多态性且受不同类型的糖原分支酶控制，而关联分析表明gc值和细菌环境存活时间具有相关性。预实验结果首次证实，细菌糖原存在更高级的稳定型和脆弱型α粒子结构。糖原α粒子与细菌环境生存能力有潜在关系，但其形成机制不明确。为了阐明糖原结构的形成机制及其对细菌环境生存能力的影响，本项目拟以大肠杆菌作为生物模型，筛选和糖原结构相关的基因，深入探索糖原分子结构形成的遗传学基础，并建立糖原分子结构和细菌环境生存能力的相互联系。该研究有利于完善细菌环境存活机制，同时为抗菌药物的研究提示新的靶点。

糖原在不同细菌种类中分布广泛，是大量临床重要病原菌的关键能量储备。多项研究证实糖原积累和代谢对细菌环境生存能力具有促进作用，但是目前有关细菌糖原分子结构及其形成机制尚不明确，有关糖原结构和细菌环境生存能力的关系亦需探索。本项目主要研究内容1是以大肠杆菌及其突变体为生物模型，深入探讨了糖原分子精细结构及其动态变化的分子机制，筛选和糖原分子精细结构密切相关的基因。结果表明：1）采用温和的超高速密度梯度离心法联合先进的糖原结构表征手段，成功从大肠杆菌中分离、纯化出结构完整的糖原α粒子，并且首次证实细菌中存在稳定型和脆弱型两种α粒子；2）通过对大肠杆菌生长曲线不同时间点糖原结构的分析，发现大肠杆菌糖原α粒子结构具有分解期稳定和合成期脆弱的动态变化规律；3）通过大肠杆菌基因敲除突变体分析，确定糖原磷酸化酶是保持糖原α粒子结构稳定的关键酶。上述研究结果为完善对细菌糖原精细结构及其动态变化的认识具有重要意义，同时也对深入探讨糖原结构和功能关系具有重要影响。本项目主要研究内容2是建立糖原（特别是糖原结构）和大肠杆菌在不同环境压力下生存能力的关系。结果表明：1）成功构建了影响糖原结构和含量的不同大肠杆菌突变体，并测定了其在高盐、干燥等环境压力下的存活能力；2）在大肠杆菌中尝试克隆表达三类糖原分支酶，实现在糖原含量不变而结构改变情况下测试大肠杆菌环境压力耐受性，但是该实验以失败告终，主要原因是无法有效表达异源糖原分支酶，从而无法测定糖原含量及表征糖原精细结构。上述结果确认糖原代谢对大肠杆菌的环境抗逆性具有重要作用，但是糖原结构在大肠杆菌抗逆性中的作用仍需进一步探索。综上所述，在本项目的资助下，项目负责人围绕糖原结构及功能发表论文9篇，其中10分以上中科院1区论文4篇，深入阐明了细菌糖原结构形成的分子机制及糖原对细菌环境耐受性的影响，较好的完成了项目申请书中提出的关键科学问题。