A Bacterial Stress Response Regulates Expression of Respiratory Protein Complexes to Control Envelope Stress Adaptation

一種細菌應激反應調控呼吸蛋白復合物的表達以控制包膜應激適應

來源：Journal of Bacteriology, Vol. 199, No. 20, 2017

《細菌學雜志》，第199卷第20期，2017年

 

摘要：

這篇論文的摘要討論了Cpx包膜應激反應在革蘭氏陰性細菌中的作用，特別是它如何調節(jié)呼吸蛋白復合物的表達以適應包膜應激。摘要指出，Cpx反應直接抑制編碼NADH脫氫酶I（NDH-I）和細胞色素bo3的nuo和cyo操縱子的轉錄，這種抑制有助于細菌適應包膜完整性受損的應激條件。此外，即使在沒有轉錄變化的情況下，缺乏功能性Cpx反應的細菌顯示出有氧電子傳遞鏈活性降低。研究還發(fā)現(xiàn)，NDH-I和細胞色素bo3的表達貢獻于Cpx途徑的基礎活性，表明Cpx反應通過監(jiān)測和調整內膜蛋白復合物的表達和功能來促進應激適應。

 

研究目的：

本研究旨在探討Cpx包膜應激反應如何調控呼吸蛋白復合物（如NADH脫氫酶I和細胞色素bo3）的表達，并確定這種調控在細菌適應包膜應激中的重要性。具體目的是驗證Cpx反應是否直接抑制nuo和cyo操縱子的轉錄，評估呼吸復合物在應激條件下的毒性，以及闡明Cpx反應在呼吸復合物生物發(fā)生中的作用。

 

研究思路：

研究思路包括多個實驗步驟來驗證假設。首先，使用發(fā)光轉錄報告基因（如nuo-lux和cyo-lux）來檢測Cpx反應對nuo和cyo操縱子轉錄的影響，并通過突變CpxR結合位點確認直接調控。其次，利用丹麥Unisense電極測量氧消耗率，評估不同Cpx背景下的呼吸活性。第三，通過構建缺失突變體（如Δnuo、Δcyo和ΔcpxR），測試細菌對包膜應激源（如NlpE過表達、氨基糖苷類抗生素和堿性pH）的敏感性，以確定呼吸復合物的作用。最后，使用cpxP報告基因測量Cpx途徑活性，探討呼吸復合物對Cpx信號傳導的貢獻。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 轉錄活性數(shù)據(jù)：通過發(fā)光報告基因測量nuo和cyo操縱子的轉錄活性，數(shù)據(jù)顯示在Cpx反應激活時（如NlpE過表達），轉錄被顯著抑制（圖1）。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于證實Cpx反應直接負調控呼吸復合物的表達，從而減少蛋白質折疊應激，有助于適應包膜損傷。數(shù)據(jù)來自圖1。

 

2. 氧消耗數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense電極測量細菌的氧消耗率，顯示在cpxA24突變體（Cpx持續(xù)激活）中氧消耗減少，而在ΔcpxRA突變體（Cpx缺失）中氧消耗也異常降低，盡管轉錄未變（圖2）。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于揭示Cpx反應不僅影響轉錄，還可能影響呼吸復合物的組裝、穩(wěn)定性或功能，表明Cpx在蛋白質質量控制中發(fā)揮作用。數(shù)據(jù)來自圖2。

 

3. 應激敏感性數(shù)據(jù)：通過CFU計數(shù)和生長稀釋實驗測量細菌對包膜應激的敏感性，數(shù)據(jù)顯示cpxR突變體對NlpE過表達、amikacin和堿性pH敏感，但缺失nuo和cyo可部分或完全恢復抵抗力（圖3）。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于證明呼吸復合物在應激條件下具有毒性，Cpx調控這些復合物是適應應激的關鍵機制。數(shù)據(jù)來自圖3。

 

4. Cpx途徑活性數(shù)據(jù)：使用cpxP報告基因測量Cpx途徑活性，顯示缺失nuo或cyo降低基礎Cpx活性，并抑制靜止期激活（圖4）。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于表明呼吸復合物貢獻于Cpx信號的產生，可能通過產生應激信號（如錯誤組裝或氧化應激）來激活Cpx反應。數(shù)據(jù)來自圖4。

 

 

結論：

本研究得出結論，Cpx包膜應激反應通過直接抑制nuo和cyo操縱子的轉錄來調控NADH脫氫酶I和細胞色素bo3的表達，這種調控對于細菌適應包膜應激至關重要。此外，Cpx反應可能影響呼吸復合物的生物發(fā)生和功能，即使在沒有轉錄變化的情況下，也能通過調節(jié)蛋白質折疊和組裝來維持內膜完整性。研究還表明，呼吸復合物本身貢獻于Cpx途徑的激活，形成一種反饋機制，從而突出了Cpx反應在監(jiān)測和調整內膜蛋白復合物中的核心作用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量的氧消耗數(shù)據(jù)具有重要的研究意義，因為它直接量化了細菌有氧呼吸鏈的活性。這些數(shù)據(jù)顯示，在Cpx反應激活時（cpxA24突變體），氧消耗減少，這與轉錄抑制一致，表明Cpx通過下調呼吸復合物表達來降低代謝活性。然而，在Cpx缺失突變體（ΔcpxRA）中，氧消耗也降低，盡管nuo和cyo轉錄未變，這暗示Cpx反應可能通過調控未知因子影響呼吸復合物的組裝、功能或穩(wěn)定性。例如，Cpx可能調節(jié)蛋白質折疊酶或降解因子，確保復合物正確組裝，從而避免錯誤折疊導致的膜損傷。這些發(fā)現(xiàn)強調了Cpx反應在呼吸鏈質量控制中的角色，為理解細菌如何平衡代謝和應激適應提供了新見解。