变异链球菌的VicRK双组分信号传导系统
变异链球菌是人类龋病的主要病原菌，它通过蔗糖依赖性黏附形成生物膜并在其中产酸耐酸，最终导致龋病。VicRK是变异链球菌13种双组分信号传导系统之一，可调节变异链球菌致龋性毒力相关因子的表达。本文就VicRK的作用机制、结构组成、生理特性，及其对变异链球菌致龋性的影响，VicRK和VicX间的关系等研究进展作一综述。
标签：变异链球菌；双组分信号传导系统；基因表达；VicRK
VicRK two-component signal transduction system of Streptococcus mutansTian Yuanyuan, Hu Tao.（State Key Laboratory of Oral Diseases, Sichuan University, Chengdu 610041, China）
[Abstract]Streptococcus mutans（S.mutans）, which is considered as the chief pathogen of human caries, possesses the ability to form biofilm via sucrose-dependent adhesion, genesis and endure acids in the biofilm that may ultimately lead to dental caries. VicRK is one of the 13 putative two-component signal transduction systems of S.mutans that modula
modulate
te the expression of cariogeneisis related virulence factors. This review summarized the mechanism, structural organization, physiological characteristics and the impact on the cariogenesis capabilities of VicRK，as well as the correlation between VicRK and VicX in S.mutans.
[Key words]Streptococcus mutans；two-component signal transduction system；gene expression；VicRK
2005年，Ulrich等[1]对145种细菌基因组进行了测序，在此过程中他们发现了至少4 000对双组分信号传导系统（two-component signal transduction system，TCSTS）。TCSTS对于细菌的环境适应性有着巨大的影响，在变异链球菌中也不例外。TCSTS在多种生物致病性因子的表达中有着重要的作用，而VicRK是重要的TCSTS之一。
1VicRK的作用机制
在原核生物中，TCSTS调控其基因表达，从而对温度、渗透压休克、低氧气、pH和营养不足等外界环境变化作出适应性改变[2-3]。经典的TCSTS由一个细胞质内的调控效应子（res
ponse regulator，RR）和一个膜结合的组氨酸激酶（histidine kinase，HK）组成。VicRK中，VicR为细胞质内RR，VicK为HK。以磷酸化为基础的TCSTS作用机制：细胞外环境刺激信号由HK的N末端输入域感受后，其细胞质信号域内约200个保守的组氨酸残基发生自磷酸化，然后磷酸基团由VicK传递给同源的VicR上特异的天冬氨酸残基，激活DNA结合蛋白与相应的靶基因结合，从而使其基因表达产物上调或抑制。细菌经此途径适应外环境的变化和刺激；但是在大多数病原菌中，关于TCSTS在调节细菌毒力中所起作用的分子基础的报告还很少[4]。
2VicRK结构组成及其生理特性
2002年，一些学者[5-6]对血清c型变异链球菌UA159株基因组行序列分析发现，有13个TCSTS和1个独立的RR（GcrR）。Biswas等[7]用PCR和基于局部比对算法的搜索工具-p技术，发现了由smu45/smu46基因编码的第14个TCSTS，但其只存在于血清c型的UA159和8VS3菌株中。VicRK（曾随其在酿脓链球菌中的同系物被称为CovRK）作为变异链球菌中13个TCSTS之一，在调节其毒力、适应性和生存力中起重要的作用。VicRK由vicRK基因编码。UA159株变异链球菌的vi－cRK基因位于负链染体上。vicR编码序列为705 bp，
它所编码的VicR蛋白的相对分子质量为26 900，是一种球形的DNA结合蛋白。当细菌受到外环境刺激时，它与特异的靶基因结合调节细菌的生物学特性。vicK的序列为1.350 bp，其所编码的VicK的相对分子质量为51.686，是一种跨膜受体。VicK将感受到的环境刺激传递给反应调节器VicR，通过一系列生化反应调节细菌适应性反应。
除变异链球菌以外，其他的一些细菌中也存在着VicRK双组分调节系统，如枯草杆菌、肺炎链球菌等，它们有高度的同源性。在枯草杆菌中，VicRK是其生长所必需的唯一的TCSTS；在肺炎链球菌中，功能性的VicRK为细菌的生长和毒力表达所必须。VicRK在不同的细菌种中调节不同的基因亚。在变异链球菌中，可对每个TCSTS中的HK进行插入失活[8]，说明VicK的失活对于变异链球菌并非致命；相反，Bhagwat等[9]在发现，将UA159株vicR基因敲除来构建突变体是无意义的，而且NG8菌株的vicR无效突变体也会导致变异链球菌失去生活力，即VicR可是变异链球菌存活所必须的。
Tremblay等[10]发现，VicR在细胞生长对数期的中、晚期以及在pH7.8的缓冲培养基中生长时的转录水平较高。这提示VicRK双组分系统的表达受培养时pH、生长期影响，而VicRK的表达还受抗生素的影响，且由LiaFRS三组份调节系统调控，但是其表达不受糖类的影响。
也有研究[11]显示，VicR的表达水平受细胞生长时期的影响，而且在对数期早期的表达水平相对较低，其表达受糖类的影响较小。变异链球菌Gs5株在生物膜环境下，VicR的表达较在浮游环境下的表达上调了12倍[12]。这说明生物膜环境可诱导其表达VicR蛋白，而且VicR的表达还具有菌株特异性。
PAS（period clock protein -aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-single-minded）域是许多蛋白家族所共有的特征之一，最初发现于果蝇属周期时钟蛋白、脊椎动物芳香烃受体核转位子和果蝇属SIM（single-minded）蛋白中，并且以其英文缩写首字母命名为PAS。在原核生物细胞中，PAS都无一例外地在信号传导系统中的感受器上被发现，能感受氧气和细胞内氧化还原电势的变化。VicK作为VicRK中的感受器，Bateman等[13]对VicK进行蛋白质家族数据库分析发现了4个片段：1）N末端10和32残基间的跨膜束；2）84和 198之间的PAS域；3）HK域；4）HK样三磷酸腺苷酶域。在变异链球菌中，VicK是13个TCSTS中唯一一个有PAS域的感受器蛋白。有学者[14]通过构建UA159菌株vicK基因缺失突变体发现，在过氧化氢的应激作用下，突变体对过氧化氢较野生株更加敏感。这说明VicK与变异链球菌感受外界氧化应激，并对其作出相应的适应性反应有关；而且在氧化应激状态下，绿荧光蛋白结合vic基因启动子的菌株的荧光密度增加，即氧化应
激能使vic基因的表达增加。
3VicRK对变异链球菌致龋性的影响
3.1VicRK与变异链球菌的产酸耐酸能力
变异链球菌能够在牙菌斑生物膜中迅速产酸和耐酸，当pH下降到临界值（一般为5.5）以下时，釉质脱矿进而出现龋坏。这是变异链球菌致龋的主要病理机制。Senadheera等[15]构建vicK无效突变株，在加入蔗糖的培养基中测定vicK无效突变株和野生株的糖酵解速率时发现，突变株的糖酵解速率明显较野生株降低。即突变株的产酸性能遭到破坏。虽然vicK基因缺失型突变株产生较少的乳酸，但vicK的缺失增加了细菌的耐酸能力；在pH3.5的环境中，vicK基因突变株的存活率明显高于野生株。这些研究证实，VicK有调节细菌细胞内pH稳态的功能，VicRK可影响变异链球菌的产酸耐酸能力，从而影响釉质的致龋性。
3.2对生物膜形成和结构的影响
菌斑生物膜是变异链球菌进行产酸代谢的微环境，细菌对牙面的蔗糖依赖性黏附和生物膜形成是变异链球菌致龋的首要条件。Ahn等[16]在构建了UA159株的vicK缺失突变体后发现：
在静止状态下，突变株在生长过程中的生长率发生了改变，其形成生物膜的能力较野生株明显降低，且生物膜细胞链变长，细胞成块聚集；但是在有氧环境下，突变株生物膜细胞几乎与野生株相同。vicK基因缺失突变体还可以使没有特殊病原菌小鼠的平滑面菌斑的形成较UA159野生株增多，但是对于龋病的发病率却没有影响。以上研究表明，VicRK可影响变异链球菌生物膜的形成和结构。
3.3对vicK缺失突变体中相关基因表达的影响
葡萄糖基转移酶（glucosyltransferase，gtf）B/C/ D基因分别编码GtfB/C/D，其中GtfB/C催化利用蔗糖合成的水不溶性葡聚糖是生物膜形成过程中促进细胞黏附和集聚的重要因子；由果糖基转移酶（fructosyltransferase，ftf）基因编码合成的Ftf催化合成的果聚糖，主要是作为细胞外能量储存物质且在细菌集聚过程中作为结合位点[17]；而葡聚糖结合蛋白（glucan binding protein，gbp）基因编码至少4种蛋白质，其中，GbpA/C/D对于变异链球菌生物膜的形成和成熟皆具有特异的作用[18]。Senadheera等[19]通过构建UA159菌株vicK缺失突变体和vic过表达突变体，用定量反转录PCR技术进行研究发现：vicK基因缺失突变体中gtfD、ftf、gbpB基因的表达与野生株相比有不同程度的下调，即VicK对这些基因
进行正性调节，但是在加入葡萄糖的培养基中，gtfB/C的表达都增加；在vic过表达的突变体中，gtf、ftf、gbpB等基因的表达都有不同程度的增加。他们还通过电泳迁移率变动分析发现，VicR可直接与gtfB/C、ftf的启动子区域结合。即VicR能与这些基因的启动子结合从而调节其表达水平，但机制尚待研究。
3.4对细胞外糖类合成的影响
细胞外多糖包括葡聚糖和果聚糖，尤其是水不溶性葡聚糖，是变异链球菌对牙面的黏附和定植过程中重要的毒力因子。vicK基因缺失突变体可以导致葡聚糖的形成速率降低。Lee等[20]用同源重组的方法构建了变异链球菌NG8株的covR（vicR）突变株，突变株引起胞外糖类增多，这些糖类明显含有葡萄糖和葡萄糖醛酸。
3.5其他
VicRK还调节变异链球菌的遗传感受性。遗传感受性可以使细菌吸收和融入异种基因，从而出现耐药性，也可以促进其遗传变异。
4VicRK和VicX间的关系
vicX基因的编码序列为801 bp，它所编码的蛋白质VicX的相对分子质量为29.68。vicX与vicRK在染体上串联排列，共同组成三联操纵子。在vicR上游有一个启动子，在vicX下游大约100 bp有一个不依赖于Rho的终止子。与VicRX相比较，关于VicX的研究相对较少。Senadheera等[21]在构建UA159菌株vicX缺失突变体后发现，vicX与调控gtfB/C的表达有关，还调控细菌的生长、黏附、生物膜形成、遗传转化和氧化应激等与变异链球菌致龋性密切相关的生理特性。研究VicR是否与VicK相互作用，或二者间是怎样进行相互作用的，以揭示vicX在vicRKX三联操纵子上的作用及其怎样影响VicRK，从而影响变异链球菌的致龋生理特性是非常重要的。
5结束语
VicRK是变异链球菌中重要的与其致龋性相关的TCSTS之一，它通过激活或抑制靶基因的表达对外界刺激作出反应，从而适应细胞外环境的变化。TCSTS长时间被认为是阻止病原菌微生物有意义的靶点[22]，所以揭示VicRK作用的分子机制，可为龋病的预防和提供新的有意义的靶位点。
6参考文献
[1]Ulrich LE, Koonin EV, Zhulin IB.One-component systems dominate signal transduction in prokaryotes[J]. Trends Microbiol, 2005, 13（2）：52-56.

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。