Microbiological Research | 杭州医学院刘小香课题组在微生物领域权威期刊发表论文揭示细菌生物被膜调控新机制

      2024年10月，杭州医学院刘小香课题组在《Microbiological Research》（中科院一区TOP，IF=6.1）发表题为“BrfA functions as a bacterial enhancer-binding protein to regulate functional amyloid Fap-dependent biofilm formation in Pseudomonas fluorescens by sensing cyclic diguanosine monophosphate”的研究论文。

该论文首次揭示了新型增强子结合蛋白BrfA通过直接响应细菌第二信使c-di-GMP来调控荧光假单胞菌依赖于功能性淀粉样蛋白Fap的生物被膜形成新机制。BrfA和Fap的同源蛋白广泛存在于假单胞菌中，该发现可为假单胞菌生物被膜的有效控制提供理论基础和潜在分子靶标。

生物被膜是造成食品腐败和致病菌污染的重要原因。荧光假单胞菌是有氧冷藏高蛋白生鲜食品的优势腐败菌，其生物被膜形成能力强，造成食品质量和安全的巨大隐患。生物被膜的形成依赖于胞外基质的产生。细菌功能性淀粉样蛋白稳定性和粘附性强，作为胞外基质成分形成的生物被膜难以被多种物理和化学方法清除，引起广泛关注。该课题组前期研究发现食品源荧光假单胞菌中由fapA-F基因簇编码的功能性淀粉样蛋白Fap是其生物被膜胞外基质的主要成分，但其表达调控机制不明，不利于食品中生物被膜的有效控制。

在该论文中，研究者发现fapA-F基因簇与相邻的反向基因（命名为brfA）在假单胞菌中广泛存在，brfA预测编码一个新的NtrC家族增强子结合蛋白，包括N端REC结构域，内部保守AAA+ATPase 结构域和C端DNA结合结构域。基因敲除和转录组测序显示BrfA对fap基因簇有显著调控作用（图1）。体内实验证明，REC结构域缺失促进fapA的表达和生物被膜的形成（图2）；c-di-GMP采用BrfA依赖的方式调控fapA的转录（图3）。体外实验表明，BrfA的ATP酶活性受REC结构域抑制，但受c-di-GMP激活（图3）；BrfA和sigma因子RpoN能够直接结合fapA的上游调控区；BrfA的DNA结合作用不受REC结构域和c-di-GMP的影响；BrfA能够识别并结合fapA启动子上游的三个串联增强子结合位点CA-(N4)-TGA(A/T)ACACC（图4）。进一步通过体内lacZ转录融合报告载体证明这三个增强子结合位点对于fapA的转录都是必不可少的（图4）。

图1.  BrfA结构预测及对fap基因簇的调控作用

图2.  BrfA的REC结构域缺失促进fap基因簇的转录和生物被膜的形成

图3. c-di-GMP和REC结构域对BrfA调控作用的影响

图4. BrfA对fapA基因转录调控区的结合作用

基于以上研究数据，研究者提出了BrfA调控生物被膜形成的新模式（图5）：BrfA结合fapA启动子上游的三个增强子结合位点并形成复合物；c-di-GMP对BrfA的结合可解除REC结构域对AAA+结构域中ATP酶活性的抑制；BrfA与RpoN共同激活fap基因的转录并控制生物被膜的形成。

图5. BrfA调控假单胞菌生物被膜形成的新模式

综上所述，BrfA作为一种新型增强子结合蛋白，其应答c-di-GMP和调控下游基因转录的方式与已知其他转录因子显著不同。BrfA和Fap的同源蛋白广泛存在于假单胞菌中，该发现揭示了假单胞菌中生物被膜调控的新机制，为假单胞菌生物被膜的调控提供了新思路和新靶标。

杭州医学院硕士研究生国苗和谈思琦为并列第一作者，杭州医学院为本论文第一和通讯作者单位。该工作受到国家自然科学基金项目，杭州医学院基本科研业务费，以及杭州医学院公共卫生与预防医学一流学科支持。

来源：刘小香  审核：科研处