布鲁菌Hfq蛋白研究进展
2016-03-12彭小薇王晓英宋晓晖
董 浩,牛 慧,彭小薇,王晓英,孙 雨,宋晓晖*
(1.中国动物疫病预防控制中心,北京 102600;2.青岛市肿瘤医院放疗二科,山东青岛 266042;3.中国农业大学动物医学院,北京 100193)
布鲁菌Hfq蛋白研究进展
董 浩1,牛 慧2,彭小薇3,王晓英1,孙 雨1,宋晓晖1*
(1.中国动物疫病预防控制中心,北京 102600;2.青岛市肿瘤医院放疗二科,山东青岛 266042;3.中国农业大学动物医学院,北京 100193)
布鲁菌病(布病)是一种严重的人兽共患病。作为布病的病原,布鲁菌能够耐受宿主体内的各种杀菌机制并持续的生存。当布鲁菌侵入宿主体内后,必须适应抗体免疫的环境,而这依赖于布鲁菌对自身基因表达的巧妙调控。Hfq蛋白是一个RNA伴侣分子,对于介导sRNA的转录后调控发挥着重要的作用。在多种细菌中,对Hfq蛋白的功能都进行了深入的研究,目前已经发现该蛋白与细菌基因的表达调控、细菌对多种应激环境的适应能力以及致病菌的毒力均有着密切的关系。论文对Hfq蛋白的结构,对sRNA的调控功能,特别是布鲁菌Hfq蛋白调控功能的研究现状及在布病疫苗研发中的应用进行系统的介绍,为布鲁菌基因的表达调控和布病防控技术的研究提供参考。
布鲁菌;Hfq蛋白;sRNA
Hfq蛋白最早源于大肠埃希菌中鉴定的一个RNA噬菌体Qβ有效复制所需要的宿主因子。随后由于hfq基因缺失后会引起大肠埃希菌对紫外线、氧化剂、渗透压的耐受能力降低,并且生长速度也减慢,引起了研究者们极大的兴趣。现在普遍认为在细菌中其作为一个RNA伴侣分子,可以促进RNA的互作从而催化快速且特异的调控反应。研究发现,Hfq分子除了作为RNA伴侣分子外还可以与DNA分子形成复合体,改变DNA分子双螺旋结构的力学特性从而使DNA分子固缩。
1 Hfq蛋白
在真核生物、细菌和古生菌中,Hfq蛋白均属于保守的RNA结合Lsm(like-Sm)/Sm样蛋白家族成员[1],其含有一个保守的Sm1基序,能够形成环形的结构,可以特异性的结合RNA。Hfq蛋白在溶液状态下可以形成同源五聚体或者同源六聚体结构,能够优先与富集A/U的RNA结合[2]。Hfq 能够通过环的不同结合表面(近端、远端和圆周)与sRNA、靶蛋白转录单元相互作用,从而能够帮助sRNA与靶点配对。在环的近端主要结合sRNA和mRNA 富集A/U的区域,而在远端处结合RNA的polyA尾[3]。
随着越来越多的细菌sRNA被发现,Hfq蛋白在sRNA介导的基因调控中起到重要的作用正逐步被揭开[2]。在细菌sRNA介导的转录后调控中,Hfq蛋白所发挥的功能可以归纳为以下4个方面:①Hfq蛋白可以保护sRNA免受核糖核酸酶的剪切;②通过与sRNA、mRNA结合增加sRNA的局部浓度,促进sRNA与它们靶mRNA之间的配对;③Hfq蛋白调节细菌重要的mRNA衰减酶(poly(A)聚合酶,多核苷酸磷酸酶以及核糖核酸酶E24-26)的活性;④Hfq蛋白可以使RNA的3′末端易于多聚腺苷酸化,使得RNA被外切核苷酸的降解从而促进RNA的周转[4]。
由于Hfq蛋白是sRNA介导的转录后调控的中心元件,缺失了hfq基因常常导致多种表型以及毒力显著降低。研究结果表明hfq基因缺失后会引起多种致病菌(牛种布鲁菌、沙门菌、霍乱弧菌、弗朗西斯土拉杆菌[5]、嗜血杆菌[6]、脑膜炎奈瑟菌、阪崎肠杆菌[7]、铜绿假单胞菌、根癌农杆菌[8]、肠道病原性大肠埃希菌[9]、鼠疫耶尔森菌、小肠结肠炎耶尔森菌[10]、单核细胞增生性李斯特菌、福氏志贺菌[11]、痢疾志贺菌、嗜肺军团菌等)在细胞、小鼠以及特定的感染模型中毒力降低[12]。
2 布鲁菌Hfq蛋白研究进展
1999年,Robertson G T等[13]发现了在流产布鲁菌中hfq基因缺失后会引起缺失株对于强氧化环境(H2O2)、酸性环境(pH 4.0)、营养缺陷环境的耐受能力降低。崔明全等还发现羊种布鲁菌16M的hfq基因缺失株和亲本菌株相比对髙渗透压环境(1.5mol/L NaCl)、高温(50℃)、多黏菌素B的敏感性都增加[14]。除此之外,和亲本菌株相比,hfq基因缺失株在巨噬细胞和小鼠感染模型中的生存和增殖能力均显著降低。2002年Roop R M 等[15]揭示了羊种布鲁菌16M的hfq基因缺失株与野生株相比对怀孕羊毒力显著下降。
随着分子生物学的发展,布鲁菌Hfq蛋白在布鲁菌毒力中所发挥的重要作用逐步被揭开。2011年Caswell C C等[16]指出在牛种布鲁菌2308中,布鲁菌的重要毒力因子Ⅳ型分泌系统(由virB操纵子编码)的表达受到Hfq的影响。在hfq基因缺失株中,virB操纵子的转录和翻译水平均降低。进一步的研究发现Hfq可能是通过依赖于BabR(布鲁菌群体感应调控子,也称BlxR)和不依赖于BabR两种不同的途径对virB操纵子的表达进行调控。此前的研究还发现牛种布鲁菌2308hfq基因缺失株中许多布鲁菌的毒力基因表达水平异常,包括编码周质超氧化物歧化酶的sodC基因[17]、编码酸性环境耐受相关蛋白的hdeA基因以及编码LuxR型转录调控子的babR基因[18]。
2013年,崔明全等采用基因芯片的方法对羊种布鲁菌16M和hfq基因缺失株在酸性基础培养基中的转录谱进行了研究,表明在该培养条件下羊种布鲁菌16M中Hfq蛋白直接或间接影响着多达359个基因(约占布鲁菌总基因数目的11%)的表达,和亲本菌株相比,在hfq基因缺失株中194个基因的表达水平下降,而165个基因的表达水平升高。对差异表达基因的KEGG聚类显示多达104个基因是功能未知或者不参与到功能聚类中的,而在有功能注释的基因中,大部分与蛋白质和酶类的转运途径、代谢途径密切相关。通过进一步对相同培养条件下hfq基因缺失株和亲本菌株的蛋白质组学研究表明在羊种布鲁菌16M的hfq基因缺失株中,有55个蛋白的表达水平发生改变,包括18个表达水平上调的蛋白和37个表达水平下调的蛋白。通过对这些蛋白功能的分析表明有36个蛋白与转运和代谢相关,这一结果也与基因芯片的结果相吻合[14]。以上研究表明布鲁菌的Hfq蛋白的主要功能是影响细菌的转运和代谢等相关的生物途径。
作为一个RNA伴侣分子,Hfq的功能主要是通过介导sRNA与其靶点mRNA之间的相互作用来进行转录后调控。2012年Caswell C C等[19]发现在牛种布鲁菌2308中发现Hfq蛋白可以直接结合2个与布鲁菌毒力相关的sRNA(AbcR1和AbcR2),而且当hfq基因缺失后,这两个sRNA无法表达。此外,Wang Y等[20]在2015年也发现在羊种布鲁菌中有3个sRNA在hfq基因缺失株中转录水平显著减少,这意味着布鲁菌Hfq蛋白对于sRNA的转录或者稳定性发挥着重要作用。
3 布鲁菌Hfq的应用
布鲁菌病作为一种全球流行的人兽共患病对于畜牧业发展以及人类的公共卫生造成严重的威胁。对家畜进行疫苗免疫是在布病高发地区控制该病流行的一种重要措施[21]。目前在国内外使用的各种活疫苗中存在着毒力偏强、无法免疫怀孕动物、免疫持续期短、无法鉴别自然感染与疫苗免疫等多种问题。2013年石河子大学的张俊波等发现使用羊种布鲁菌16M的hfq基因缺失株免疫Balb/c小鼠后进行同源攻毒可以产生与现有的M5-90和Rev.1疫苗株类似的保护力。与此同时,由于Hfq蛋白具有良好的免疫原性,可以通过检测血清中Hfq蛋白的抗体来区分hfq基因缺失疫苗免疫和野生株感染[22]。
研究表明在大肠埃希菌和沙门菌中约有一半的sRNA与Hfq蛋白密切相关。在大肠埃希菌中已经有研究通过将Hfq蛋白的多克隆抗体与大肠埃希菌胞内提取物共同孵育,通过免疫共沉淀成功富集了约1/3已经的sRNA[23]。因此,在布鲁菌中同样可以制备Hfq蛋白的抗体通过免疫共沉淀的方法鉴定与Hfq蛋白结合的sRNA。
4 展望
布鲁菌的Hfq蛋白对于调控Ⅳ型分泌系统、群体感应系统、耐受应激环境相关蛋白、sRNA的正常表达,而这些分子与布鲁菌的毒力密切相关,因此对布鲁菌Hfq蛋白功能的研究对于揭示布鲁菌的致病机制以及sRNA介导的转录后调控网络有着重要的意义。此外,由于hfq基因缺失株具有毒力弱、能够鉴别自然感染与疫苗免疫等方面的优势,其在开发新型布病疫苗方面具有光明的前景。
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Progress on Hfq Protein in Brucella spp.
DONG Hao1,NIU Hui2,PENG Xiao-wei3,WANG Xiao-ying1,SUN Yu1,SONG Xiao-hui1
(1.ChinaAnimalDiseaseControlCenter,Beijing,102600,China;2.NO.2RadiologyDepartment,QingdaoCancerHospital,Qingdao,Shandong,266042,China;3.CollegeofVeterinaryMedicine,ChinaAgricultureUniversity,Beijing,100193,China)
Brucellosis is a serious zoonosis.As the pathogen of brucellosis,Brucellaspp.could resist various bactericidal mechanisms and persist for a long time in the host cells.After invading the host cells,Brucellastrains need to adapt to the harsh intracellular environment by fine-tuning of their gene expression.Hfq protein is a RNA chaperone protein,which plays an important role in the sRNA mediated post-transcription regulation.In many bacteria,various studies have been performed about Hfq protein.At present,this protein has been found to be involved in bacterial gene expression,stress responses,and bacterial virulence.This paper summarized the structure of Hfq protein,its functions of regulating sRNA,and focused on the developments inBrucellaHfq protein.This paper provided valuable materials for studies ofBrucellagene expression and technology of brucellosis prevention and control.
Brucella; Hfq protein; sRNA
2015-06-07
董 浩(1985-),男,山东威海人,兽医师,博士,主要从事人畜共患病防控技术研究。*通讯作者
S852.614
A
1007-5038(2016)01-0093-03