一种新的细菌自然遗传转化模式的遗传基础研究

已知许多细菌具有自然遗传转化能力，这种能力不仅与细菌快速进化有关，还可引起致病性、抗药性转移，导致严重的临床和环境问题。但与人类密切相关的Escherichia coli是否具有自然遗传转化能力却不清楚。本课题组在国家自然科学基金项目（30370017）资助下，研究证实E. coli不仅具有自然遗传转化能力，而且转化发生在平板上，与普遍胁迫应答因子（RpoS）有关。进一步研究发现其双链转化DNA摄取模式不同于目前已报道的细菌经典自然转化模式。本项目拟利用本课题组建立的转化体系为平台，研究平板上E. coli自然遗传转化机制及涉及RpoS的调控网络，探明E. coli自然遗传转化机理，目的和意义在于：（1）揭示一种新的自然遗传转化模式的遗传基础；（2）探讨细菌在固相基质表面进行自然遗传转化的一般规律，为阐明细菌致病性与抗药性转移机理及有效控制提供理论依据。

细菌具有自然遗传转化能力，这种能力不仅与细菌快速进化有关，还可以引起广泛的致病性与耐药性转移，从而引发严重的临床和环境问题。与我们日常生活和科学研究密切相关的Escherichia coli是否具有自然遗传转化能力存在争议。本项目利用本课题组建立的转化体系为平台，比较研究了E. coli自然遗传转化的一般规律，围绕普遍胁迫应答因子RpoS，对E. coli不同于一般细菌自然遗传转化的机制进行了研究探讨。项目按照预定计划进行，获得以下主要结果：1）在E. coli自然遗传转化体系中，固体表面培养是其完成转化的必要条件，而寡营养胁迫不能促进其自然遗传转化；2）E. coli自然遗传转化与氯化钙诱导的人工转化机制不同，前者受rpoS控制，而后者可以被胞外AMP等抑制；3）RpoS在E. coli自然遗传转化静止培养期发挥作用，但是与在固体培养基表面完成的感受态诱导和转化过程没有直接关联；4）通过自然遗传转化关键节点全基因组表达谱分析和相关基因突变株筛选，筛选出十余个候选基因，其突变可以显著改变E. coli自然遗传转化能力。本项目研究结果进一步明确我们建立的转化体系中，E. coli具有自然遗传转化能力，其摄取外源DNA的能力与其应对固相基质表面生活的胁迫应答有关，RpoS在该调控途径中起到重要作用。其次，发现固相基质是完成转化的必要条件，类似现象在奈良女子大学Maeda课题组近两年E. coli细胞之间质粒转化研究工作中也有发现，说明生活在更接近于细菌自然生境的固相基质表面的细菌代谢调控不同于一般实验室液体培养条件，采用固相基质实验体系，有可能发现更多具有自然遗传转化能力的细菌。这些研究结果，为深入研究E. coli自然遗传转化机制提供了明确研究方向，为认识细菌水平基因转移途径的多样性提供了新线索，有助于深入了解细菌在自然固相基质表面适应环境的一般规律及细菌致病性与抗药性转移机制。