转录因子XrbR响应木糖信号调控耻垢分枝杆菌生物膜形成的分子机理研究

Bacterial biofilms play an important role in their pathogenesis and physiological processes. However, upon responding to environmental stresses, the signal molecules that affect mycobacterial biofilm formation remain to be identified and the involved pathways are largely unclear. Our recent data support a model in which a transcriptional factor, XrbR, may sense the D-xylose signal and regulate biofilm formation in Mycobacterium smegmatis. In this proposal, we will further experimentally test the hypothesis and dissect the pathway of biofilm formation driven by the xylose signal. Firstly, we will utilize ITC and EMSA methods to assay the direct interaction between XrbR and D-xylose, and its effect on the DNA-binding activity of the regulator. Then, potential target genes regulated by XrbR will be comprehensively characterized by using RNA-seq, ChIP-seq and qRT-PCR assays. Finally, we will use gene knock-out/complementation in combination with the assays of bacterial growth and physiological characteristics to explore the relationship between the gene regulation and mycobacterial biofilm formation, and further dissect novel signal pathway. This will become the first study on the correlation between the xylose-involved transcriptional regulation and biofilm formation in M. smegmatis. This study would significantly improve our understanding on the mechanisms of mycobacterial biofilm formation regulation.

细菌的许多重要生理和病理特性与其生物膜形成紧密相关。然而，目前关于环境效应分子如何介导分枝杆菌生物膜的形成以及相关的信号通路还知之甚少。我们前期的实验结果表明，转录因子XrbR能够响应木糖分子信号影响耻垢分枝杆菌生物膜的形成。以此为基础，本项目拟进一步详细解析相关的信号通路，阐明分子机理。首先，利用ITC和EMSA分析木糖分子与XrbR之间的直接相互作用及其对转录因子DNA结合活性的调控影响；然后，采用RNA-seq、ChIP-seq和qRT-PCR等鉴定XrbR调控或影响的靶基因；最后，结合基因敲除/互补和细菌生长/生理特性等分析，综合鉴定转录因子及其调控的下游基因与耻垢分枝杆菌生物膜形成的关系，解析信号通路。这将是首次在分枝杆菌中详细探讨木糖效应分子介导的基因调控与细菌生物膜形成之间的关系，本项目取得的结果有望加深我们对分枝杆菌生物膜形成调控机制的认识。

分枝杆菌的细胞壁富含分枝菌酸以及酸化海藻糖等脂质，这种结构与这类细菌感染、耐药以及生物膜的形成等许多重要生理和病理特性紧密相关。耻垢分枝杆菌作为一种研究病原分枝杆菌生理代谢特征的重要模式微生物，能够响应环境信号的变化形成生物膜。本研究在耻垢分枝杆菌中成功鉴定了一个新的转录因子XrbR，它能够响应木糖分子信号直接参与生物膜形成调控。D-木糖分子能与XrbR物理相互作用并在体外及细菌体内特异性抑制XrbR的DNA结合活性。XrbR基因广泛调控分枝杆菌中近1500个基因的表达，其中包含了166个脂运输和脂代谢相关基因。利用DNA足迹实验，我们成功鉴定了XrbR识别的一个含有回文序列的motif序列。XrbR抑制细菌细胞的聚集反应和对利福平的抗性，D-木糖抵消转录因子的这些调控影响。HPLC比较分析发现XrbR超表达导致多个分枝杆菌细胞壁脂质组分发生了显著变化，D-木糖能够削弱转录因子介导的这些变化。XrbR基因超表达导致分枝杆菌菌落表面变光滑，在液体培养基中形成生物膜的能力明显下降，D-木糖对XrbR的这种调控有显著抑制作用。特别是，本研究进一步发现了该转录因子XrbR的表达也影响BCG菌株与宿主细胞的相互作用及其在宿主体内的存活能力。此外，本项目还发现了另外三个调控分枝杆菌脂代谢和生物膜形成的新通路，阐明了作用机制。这些结果为系统理解分枝杆菌生物膜形成调控网络提供了重要线索，为未来进一步改造疫苗菌株开拓了新思路，也为最终控制病原分枝杆菌的感染和耐药提供了潜在药物新靶标。