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加州大学张文君组和港科大钱培元组等合作NCB | 龋病形成背后-NRPS/ PKS杂合产物mutanofactin的生合成机制2021-08-24
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摘要

变形链球菌是龋病的主要致病菌,其一层一层地吸附在牙齿上形成生物膜。本文作者从牙菌斑中分离出变形链球菌,发掘与生物膜形成相关的聚酮/非核糖体肽杂合产物mutanofactin-697生合成基因簇muf,并解析其生物合成逻辑。作用方式分析表明,mutanofactin-697与变形链球菌细胞以及细胞外DNA结合增加细菌疏水性,并促进细菌粘附和生物膜形成。本文研究揭示微生物次生代谢物通过物理化学方法促进生物膜形成,展现次级代谢介导龋齿发展相关过程的重要性(本期次条思考题围绕mutanofactin生合成途径展开

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​内容

牙菌斑中变形链球菌可以形成生物膜、产生有机酸并低pH值环境中生长,是龋病的主要致病菌。本文作者从小分子次生代谢产物角度阐明其在生物膜形成中的作用。

BGC muf促进生物膜的产生。根据生信分析将先前收集的变形链球菌菌株分为8组,以葡萄糖作为碳源时第一组菌株中如Smu56和Smu57具有较强的生物膜形成能力(图1)。

第一组菌株同时含有BGC1和BGC2,在Smu56和Smu57中进行基因敲除以探究这两个BGC在生物膜形成中的可能作用。BGC1(muf)的敲除导致形成具有松散的海绵状结构的异常生物膜(图2a)。此外Δmuf突变体形成的生物膜可以通过轻摇去除(2b)。Δmuf突变体在牙齿表面形成的生物膜显着减少(2c),综上BGC muf在生物膜形成中发挥重要作用。

BGC muf通过增加细菌细胞表面疏水性从而促进粘附。水的接触角(θW)可以反映细菌的疏水性,数值越高疏水性越强。结果表明第一组菌株表面更加疏水,3个Δmuf突变体θW值均降低,说明BGC muf与细菌细胞表面疏水性相关(3a)。细胞之间的相互作用强于每个细胞与水的相互作用,因此细菌细胞易于聚集被认为是疏水的。随后作者测定细胞表面张力参数和界面相互作用能,进一步证实细胞表面疏水性的增加促进粘附(3b-c)。

鉴定muf代谢产物并解析生合成途径。接下来作者鉴定muf编码的代谢产物mutanofactin 1-5。NRPS/ PKS杂合途径负责mutanofactin的生物合成(图4)。

除了生合成关键酶NRPS-PKSs外,BGC muf还编码MufA (4'-磷酸泛肽基转移酶PPT),MufB(II型硫酯酶TE),MufC(转录调节因子)和MufH,-I和-J(ABC转运蛋白)(图4a)。ΔmufB和ΔmufC均降低5的产生,ΔmufHIJ较少损失5,表明MufH,-I和-J负责向细胞运输55a)。5以浓度依赖的方式影响生物膜的形成和细菌的聚集(5b-c)。将5添加到Δmuf突变体的回补实验表明以浓度依赖方式恢复生物膜的形成(图2a, c, 5d)。此外5促进了相关缺乏muf BGC样品中生物膜的形成(图5e,f)。

一些小分子次级代谢产物,例如绿脓素,可与eDNA结合并促进eDNA介导的生物膜形成。有鉴于此,作者提出5促进生物膜形成的机制:经过生物合成并从链球菌分泌后,5与自身和邻近的链球菌结合,在细菌细胞周围形成表面层。疏水层增加细菌细胞表面疏水性,促进粘附以及随后的生物膜形成和生长。此外,5直接与eDNA结合并促进eDNA介导的细胞聚集和生物膜形成(图6)。

总之,本文作者发现NRPS/ PKS杂合途径生物合成的mutanofactin通过增加细菌的疏水性促进生物膜的形成。本文突显微生物次生代谢介导龋齿发展相关过程的重要性,为龋病的产生、预防和治疗相关研究提供参考。

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