c-di-GMP分子驱动耻垢分枝杆菌抗氧化调控的信号通路与分子机制研究

Mycobacteria have their own c-di-GMP signaling system and unique antioxidant capacity. However, both the detailed regulating mechanisms and c-di-GMP-involved signaling pathways remain largely unclear. Our recent data show that the c-di-GMP level tightly coorelates with the bacterial resistance to hydrogen peroxide in Mycobacterium smegmatis, and four receptor transcriptional factors are found to be potentially involved in regulation of bacterial antioxidant activity. In this proposal, we will further dissect the c-di-GMP-triggering regulatory network of the antioxidant stress for understanding the novel mechanisms in M. smegmatis. Firstly, we will carefully characterize the specific interaction between several potential transcriptional factors and c-di-GMP molecules. Then, we will systematically search c-di-GMP involved signaling pathways and further explore the relationships between the second messenger’s signaling and the regulation of the mycobacterial growth as well as antioxidant activity in M. smegmatis. Finally, we will integrate multiple omic data to construct a genome-wide c-di-GMP-triggering network of the antioxidant regulation in M. smegmatis. This project will significantly improve our understanding on the unique c-di-GMP signaling network and the molecular mechanisms of the mycobacterial antioxidant stress regulation.

分枝杆菌具有独特的c-di-GMP信号系统和显著的抗氧化能力，然而相关的信号通路和调控机制还很不清楚。前期，我们发现耻垢分枝杆菌胞内的c-di-GMP水平与细菌对双氧水的抗性密切相关，而且初步鉴定了4个信号受体转录因子直接参与这种抗氧化胁迫调控。以此为基础，本项目将进一步解析c-di-GMP分子在耻垢分枝杆菌中驱动的抗氧化胁迫信号网络，阐明调控机理。首先，对c-di-GMP分子与其多个潜在受体调控蛋白间的特异性相互作用进行分析和确认；然后，通过重组菌株构建和表达谱分析系统发掘c-di-GMP分子在分枝杆菌中介导的信号通路，并阐明其与细菌抗氧化胁迫调控之间的偶联关系；最后，整合多种组学信息在全基因组范围内建立c-di-GMP信号驱动的分枝杆菌抗氧化胁迫调控网络。本研究的成果将显著提高对分枝杆菌独特的c-di-GMP信号网络的认识，大大加深对其介导的细菌抗氧化胁迫调控机理的理解。

环化二鸟苷单磷酸即c-di-GMP是一种重要的细菌第二信使分子，分枝杆菌具有独特的c-di-GMP信号系统和显著的抗氧化能力，然而相关的信号通路和调控机制还很不清楚。本项目拟在发现和鉴定重要转录因子受体的基础上，解析c-di-GMP分子在耻垢分枝杆菌中驱动的抗氧化胁迫信号通路，阐明调控机理。.通过5年的实施，本项目取得了一系列重要进展。我们成功表达和纯化了6个耻垢分枝杆菌调控蛋白，完成了其中4个蛋白与c-di-GMP结合专一性和动力学特性分析，确定了LtmA、HpoR、DevR和ArgR等4个调控因子能直接参与响应c-di-GMP信号并驱动分枝杆菌的抗氧化调控。我们发现双氧水胁迫导致耻垢分枝杆菌胞内c-di-GMP水平显著上升并显著诱导一个氧化还原基因簇hpoR operon的表达，该基因簇的调控与细菌的抗氧化能力密切相关。我们发现了两个受体转录因子HpoR和LtmA相互作用并通过一个由c-di-GMP驱动的信号网络共同调控分枝杆菌的抗氧化生长适应。c-di-GMP信号刺激LtmA的正调控，高浓度c-di-GMP抑制HpoR的DNA结合活性，相反其低浓度则刺激HpoR的DNA结合活性，在此基础上进一步解析出了HpoR蛋白质-DNA复合物的晶体结构。我们发现在缺氧条件下牛分枝杆菌BCG胞内c-di-GMP显著上调，并成功阐明了c-di-GMP通过精氨酸抑制子ArgR调控分枝杆菌缺氧反应的分子机制。我们成功解析了c-di-GMP分子通过双组份受体调控因子DevR调控分枝杆菌抗氧化耐受的信号通路，发现了c-di-GMP信号偶联双组份系统激酶激活DevR调控因子活性的新机制。此外，我们发现了CmtR是一个新的氧化信号感应转录因子并系统解析了CmtR介导分枝杆菌抗氧化适应的信号通路以及分枝杆菌在宿主体内存活新机制。最后，本项目总结绘制了一个分枝杆菌中c-di-GMP信号全局性调控网络。.本项目研究取得了一系列重要成果，在NAR、JBC、EM、Microbiol Spectr等主流杂志发表论文多篇，这些工作大大扩展了对c-di-GMP信号的调控模式和网络结构的全局性认识，加深了我们对分枝杆菌生长及氧化胁迫抗性调控分子机制的理解。