科研人員揭示鏈球菌抗氧脅迫新機制

　　鏈球菌是革蘭氏陽性、兼性厭氧細菌，它們主要棲息在人類口腔及上呼吸道，與人類健康密切相關。其中肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）是機會致病菌，導致肺炎、腦膜炎等疾病；變形鏈球菌(S. mutans）是齲齒的主要致病菌；而口腔有益菌寡發酵鏈球菌(S. oligofermentans）則產生H2O2，抑制變形鏈球菌的生長。鏈球菌的獨特之處是不產生高效分解H2O2的觸酶，因此有氧代謝時積累大量的H2O2。同時，它們也能耐受高濃度的H2O2，提示它們具有獨特的抗氧化機制。研究人員發現，鏈球菌生長時產生的內源性H2O2幫助它們抵抗高濃度的H2O2脅迫，而H2O2自誘導防御的分子機制尚不清楚。

　　3月17日，美國微生物學會期刊mSystems 在線發表了中國科學院微生物研究所東秀珠課題組的最新研究成果“Redox-regulated adaptation of Streptococcus oligofermentans to hydrogen peroxide stress”。該研究揭示了鏈球菌中獨特的、H2O2敏感的半胱氨酸巰基所介導的H2O2自誘導防御的分子機制：過氧化物響應抑制蛋白PerR及錳轉運抑制蛋白MntR的半胱氨酸感應胞內低濃度的H2O2，并被氧化失活從而解除對所抑制的抗氧脅迫基因（巰基氧化還原及金屬離子平衡蛋白）的表達，發揮抗氧化功能（如圖）。先前的研究證明40 μM H2O2氧化錳轉錄調控蛋白MntR的半胱氨酸使之失活（Chen et al., J Biol Chem, 2017），本研究通過氧化還原蛋白質組學技術、Redox Western blotting、Cys點突變、免疫沉淀結合質譜分析，證實40 μM H2O2可氧化過氧化物響應抑制蛋白PerR的Cys139及Cys142殘基。而PerR的半胱氨酸氧化導致其結構性鋅離子丟失，使之可逆性失活，解除對其調控的巰基氧化還原（trx和tpx）及金屬離子平衡等基因（dpr及mntABC）的抑制。該研究結果揭示鏈球菌為適應其胞內獨特的高錳環境，PerR蛋白利用半胱氨酸氧化感應H2O2，并調控巰基氧化還原蛋白及金屬離子平衡蛋白的表達，幫助觸酶陰性的鏈球菌抵抗H2O2脅迫。

　　東秀珠課題組長期致力于鏈球菌抗氧脅迫的分子機制研究，最近發現鏈球菌利用碳代謝物抑制蛋白CcpA同時調控葡萄糖的優先利用及H2O2產生。同時，CcpA還在轉錄后水平，通過調控轉錄通讀而調控自然感受態的最適形成，使寡發酵鏈球菌攝取外界DNA從而增強對氧化損傷的修復，增加基因組穩定性而貢獻抗氧脅迫（Wang et al., Mol Microbiol, 2019）。東秀珠團隊還發現原核生物的膜整合蛋白-水通道蛋白在鏈球菌中與抗氧脅迫及致病性密切相關。水通道蛋白（Aquaporin，AQPs）是廣泛存在于三域生命的一類跨膜蛋白，協助水及其他小分子物質，如甘油、尿素等雙向擴散。1998年Peter Agre首次發現人紅細胞膜上的AQP協助水分子跨膜擴散，并因此而獲得2003年的諾貝爾化學獎。真核生物的AQPs協助轉運H2O2及NO等，發揮信號分子作用，調控細胞的凋亡以及疾病發生。而目前原核生物AQPs的生理功能絕大部分未知。東秀珠課題組首次表明寡發酵鏈球菌的水通道蛋白AqpA協助H2O2雙向滲透；重要的是，aqpA基因缺失顯著削弱了寡發酵鏈球菌高氧壓力下的生長，并減弱其種內及種間競爭生存能力。因此AqpA特化為一個H2O2轉運蛋白，幫助觸酶陰性的鏈球菌脫毒細胞內的H2O2，抵御氧化壓力（Tong et al., J Biol Chem, 2019）。該課題組還發現肺炎鏈球菌的非典型甘油型水通道蛋白Pn-AqpC缺失顯著影響肺炎鏈球菌的抗氧脅迫能力及致病性和毒力，其分子機制正在研究中。

　　以上所揭示的鏈球菌抗氧脅迫的新機制，不僅豐富了對原核生物抗氧脅迫的認識，同時對利用和控制鏈球菌提供了思路，尤其是低濃度H2O2介導的H2O2免疫機制及水通道蛋白新的生理功能的認知，使得口腔有益菌更好地抑制齲齒致病菌，并可為致病鏈球菌，如肺炎鏈球菌的控制提供新的作用靶點。

　　東秀珠課題組副研究員佟卉春、博士生東雨竹、王新慧為論文的共同第一作者，東秀珠和佟卉春為論文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金的資助。

　　微生物所揭示鏈球菌抗氧脅迫新機制