毒素-抗毒素系统与细菌生长停止和持续的关系外文翻译资料

 2022-02-14 09:02

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毒素-抗毒素系统与细菌生长停止和持续的关系

细菌持留菌细胞为一个新陈代谢缓慢，高度忍受耐药性和其他环境压力的族群在遗传学上完全一模一样的成分。最近研究表明，基因位点被称作毒素-抗毒素系统（毒素-抗毒素）在持留菌中扮演中心角色。在正常的生长环境下，抗毒素有很强的抑制毒素的能力。相反的，在有压力的状态下，抗毒素被有选择的释放出来，变自由。毒素抑制基本的细胞的进程，例如脱氧核糖核苷酸负责和蛋白质翻译。这种抑制导致快速增长抑制。在这篇报告中，我们重点最新发现了多层面的毒素-抗毒素系统并重点于最新的被抑制的机制，特别是条件合作，这用于规律细胞生长和持久发展。我们也讨论了靶向毒素-抗毒素系统的潜力，在抗菌药物发现中。

二十世纪初，抗生素的发现是一次医药革命。但是，现在已经知道抗生素不再是神奇的药物了，他们曾经一度那样认为。相反的，抗生素会和失败，有时甚至伴随着死亡的代价。一种原因，这个情况发生是因为细菌靶向获得抗药性，导致突变，使抗生素失效。第二个原因，越来越受欢迎的理由是抗生素失败是因为细菌他们自己使用内源性的机制，去逃避压力，包括与抗生素的接触。

这种机制之一就是持久性。细菌细胞在持留菌状态抗生素耐药性突变。相反，他们已经分化成了一种表型，具有高度的耐药性。这导致了不分裂的细胞因此活了下来直到环境压力消失，比如寡营养，生物接触。一旦生长环境变好，持留菌就会恢复到活跃生长状态并重新开始的数量。在野生大肠杆菌中，持留菌的频率在浮游细菌的数量中，只有大概百万分之一。但是，在静止的生物和生物膜中，复杂的多细胞细菌群落的高度耐药性的频率显著增加，高达百分之一。持留菌的作用是调节抗生素抗药性，并有持续的更新。努力了解分子机制，成为持留菌表型的基础。

在过去的十年中，已经变得十分清楚的是作为毒素-抗毒素系统对休眠和持留菌起重要作用。毒素-抗毒素基因位点是大量的细菌，血浆，噬菌体和染色体。他们包含一个毒素，导致生长抑制通过干扰重要细胞的过程，和一种同源性抗毒素，他中和了毒素的活性，在正常生长条件下。在有压力的情况下，抗毒素被选择性的降解。这留下了毒素去影响他们的毒素作用，这导致了生长抑制和休眠。在这篇文章中，我们着重介绍了最近功能性的和结构性的系统，讨论他们逐渐增大的作用在细菌生理学。我们还描述了对这个机制的新的观念，特别是条件合作性，通过毒素-抗毒素系统调节在生长和持续之间过渡。最后我们讨论确定这些系统的抗生素的潜力。对新的抗生素的强大需求，针对毒素-抗毒素系统和调节他们的过程的新类型是由正当理由的。

毒素-抗毒素系统

最初的两个毒素-抗毒素基因位点被发现已经超过三十多年了，当他们被发现在质粒维护中通过一种未知的机制起着重要作用。也就是说，毒素-抗毒素基因的产品杀死了没有保留质粒的后代。这些细胞死亡因为“高纯度”的抗毒素，与他们的同源毒素相比是特别不稳定的，是不可能再生缺失的质粒的。因此，最终，无质粒的细胞包含只有稳定的毒素，他们的活动最终导致了细胞的死亡。因为独一无二的机制用来维持质粒，这个过程被称为杀后（PSK）。

自从他们最初被发现，数以千计的毒素-抗毒素操纵子不仅被血浆和噬菌体确认，而且出乎意料的是在大多数自由生活的染色体上，一些物种（如结核分杆菌）含有多达88个毒素-抗毒素位点。不像质粒基于毒素-抗毒素基因，染色体毒素-抗毒素位点不介导PSK，而是代替功能以确保人口对压力的反应。目前，有六类毒素-抗毒素系统，他们区别于抗毒素的中和作用压制毒素的活性。但是毒素基因的产物是普通蛋白质，抗毒素基因是非编码的RNA（在毒素-抗毒素系统I和III中）或是一个低分子量的蛋白质（在毒素-抗毒素系统II,IV,V和VI中）。这六类毒素-抗毒素系统在大肠杆菌如图1所示。

建立完善的毒素-抗毒素系统：第一至第三类：I型毒素-抗毒素系统有一种非编码RNA类毒素和一种蛋白质毒素。在这些系统中，小分子反义的RNAs（sRNAs）碱基对，毒素抑制信使核糖体翻译。在正常生长条件下，这双重抑制核糖体结合，RNA双倍快速被核糖核苷酸III降解。但是，在压力条件下，抗毒素sRNA的数量减少导致非双链毒素信使核糖体的翻译。

图一：毒素-抗毒素系统。毒素用橘黄色表示，抗毒素用蓝色；无毒用黑色字体，而毒素是灰色的显示。I型：sRNA抗毒素碱基对抑制毒素信使核糖体的翻译。膜裂解毒素功能为细胞膜去极化，破坏ATP的合成。II型：抗毒素和毒素是蛋白质，在良好的生长条件下，毒素受制于抗毒素，并且抑制它的活性。毒素和抗毒素，在大多数情况下，毒素-抗毒素复合物结合毒素-抗毒素启动子抑制转录。在压力条件下，细胞蛋白酶像Lon和CloXP,优先切割抗毒素，释放毒素抑制生长通过抑制翻译或复制。III型：抗毒素sRNA有核糖核酸酶（RNase）毒素加工成，导致组成RNA假结毒素复合物，它抑制了毒素活性。IV型：抗毒素蛋白质能稳定细丝，但是毒素蛋白质破坏了他们，在抗毒素缺席的情况下，这种毒素介导抑制细胞分裂。V型：抗毒素GhoS是一种核糖核苷酸区别于毒素ghot信使核糖体，在压力条件下，抗毒素的信使核糖体被MqsR毒素降解，导致GhoT翻译和膜溶解。VI型：SocA抗毒素是一种配适器蛋白质，结合SocB毒素促进它被ClpX降解。当不降解，毒素结合滑动钳，用来抑制脱氧核糖核苷酸复制。

II型毒素-抗毒素系统是最大的，研究最好的毒素-抗毒素系统类别，通过数千个II型毒素-抗毒素位点区别于大多数自由细菌，像大肠埃希菌（图1）。不像类型一抗毒素，II型抗毒素是蛋白质。他们通常有两个域，一个结合脱氧核糖核苷酸只要一秒，结合并抑制了同源蛋白质毒素的活动（图一）。抗毒素也常常促进结合他们自己操纵子，为了抑制翻译。在大多数情况下，但不是所有情况，毒素作用是共抑制器。在某些情况下，他们约束其他基因的操纵子。II型毒素-抗毒素系统调节通过区别不同在细胞生命周期内的抗毒素和毒素。就是说，抗毒素对蛋白质水解高度敏感，但是他们的同源毒素相对的稳定。因此，为了解决压力，抗毒素被有选择的降解了。这导致了生长的停止由于细胞对现在自由毒素的影响。II型毒素功能通过抑制复制（通过抑制脱氧核糖核苷酸回转酶）或翻译（通过切割信使核糖体，是核糖体失活，伸长因子或使谷氨酸转运核糖体合成酶失活（GltX）。

大多数II型毒素是核糖核酸酶，通常采纳微生物核糖核酸酶折叠（类似于那些核糖核苷酸T1和核糖核酸酶SA）。依赖性核糖核酸酶毒素结合直接到核糖体的A点，在那里，他们分裂核糖体有关于信使核糖体（图二，在大肠杆菌中RelE,YoeB,YafO,YafQ,HigB）。其他核糖核酸酶毒素是独立的核糖体，包括MqsR，它也采纳了微生物核糖核酸酶，MazF，一个独一无二折叠功能的二聚体（图二）。不同于那些高度相似的核糖核酸酶毒素对应物，同源抗毒素和寡聚毒素抗毒素复合物结构差别很大（图二）

在III型系统中，像在I型系统中，抗毒素是一种小的核糖体。然而，代替毒素mRNA的双重作用去防止毒素合成，形成抗毒素与毒素直接绑定的假节点（图一和图二右）。创始人和最好的研究的第三型成员是毒素。toxN毒素基因的前面有一个短的重复序列，它本身前面是一串核苷酸重复序列。toxN，一个核糖核酸酶，不仅将毒素转录到活跃的36核苷酸抗毒素sRNAs，而且还有其他mRNAs。它的活性被抑制当toxI sRNA相结合时，它的活动位点被阻断。

新被发现的毒素-抗毒素系统：IV-VI型。最近被定义的毒素-抗毒素系统是IV-VI型型。在IV型中，像II型一样，两者抗毒素和毒素都是蛋白质。但是，在II型系统中，抗毒素和毒素结合成一个紧密的复合物，抗毒素和IV型系统的毒素没有关系。相反的，毒素组织生长通过结合和抑制细菌细胞骨架蛋白MreB和FtsZ的聚合体，从而阻断细胞分裂。抗毒素拮抗毒素活性通过促进和稳定MreB和FtsZ细胞骨架蛋白捆绑（图一）。在唯一知道的V型系统中，抗毒素（GhoS）是一种核糖核酸酶，在生长条件下，分裂毒素（GhoT）mRNA。但是，在压力条件下，GhoS的mRNA被II型毒素MqsR降解。这导致了GhoT的翻译，一种小的疏水性多肽，像来自I型系统的毒素，会破坏细胞膜（图一）。因此，这是一个毒素-抗毒素系统的例子，直接的受另一方（Mqsra）的监管。最近发现毒素-抗毒素系统（VI型）有一种蛋白质毒素组成，SocB，和一种蛋白质抗毒素，SocA。毒素阻断复制伸长通过直接结合beta;滑动钳和其他钳夹结合蛋白。抗毒素SocA是一种容易降解的蛋白质。通过促进蛋白质降解而产生的再毒性物质。

毒素-抗毒素系统和他们在持久性中的作用

目前已经被普遍认同的是毒素-抗毒素系统，特别是II型毒素-抗毒素系统，在持久性方面起主要作用。第一个被证实的基因比如直接影响持久性的是大肠杆菌hipA基因(高度持久的蛋白质A)，编码一种使谷氨酰基转失活的激酶tRNA合成酶。它在持久性中的作用被发现当一种hipA的变体（hipA，它包含两个突变，G22S和D291A）被分离出来，持续增加了100到1000倍。尽管这个突变被鉴定出至少三十年了，这个机制通过它增强了持久性直到今年都难以分辨。第一，结构和功能的研究表明，这种突变体增加了持久性因为它破坏了高阶低聚物的稳定性，HipAB以复合物复合物的形式结合hipAB算子。这种不稳定暴露了HipA活性位点，使毒素更活跃。第二项研究表明了HipA得活性导致ppGpp介导的II型RNase毒素的激活，它们的活动最终导致持久性。

第二类核糖核酸酶毒素扮演的角色在持久性中也在有着里程碑式意义的微列阵实验中得到了证实大肠埃希氏菌。也就是说，多种II型毒素，特别是核糖核酸酶毒素，与非持久性细胞相比，在运动过程中有着很高的上升率。然后，核糖核酸酶毒素在持久性中的直接作用通过用两种异位表达实验（核糖核酸酶毒素的外源表达增加持久性）和TA基因删除实验（同时删除10个TA系统，在大肠杆菌中导致持久性降低100倍）得到了证实。最近，有研究表示，从沙门氏菌中系统删除单个II型系统也会减少巨噬细胞诱导的持久性，这表明沙门氏菌中的14个独特的II型TA模块一被吞噬就会被激活。

TA系统在持久性中的作用最近在一个突破性的实验中得到扩展，研究表明，不仅II型甚至I型毒素也能直接与持久性发生联系。在这项研究中，作者表示一种叫做Obg的普遍保守的GTPase，能够通过激活I型hokB毒素转录来诱导持久性。HokB相关肽会导致膜去极化，这导致了持久性。出乎意料的是，作者也表示Obg的这项功能取决了可以直接绑定上去的ppgpp。尽管obg激活hokB的分子基础还不知道，这项工作仍然通过（p）ppgpp的I型和II型持久性证明了功能上的趋同。总的来说，这些数据表明持续性状态的进入和退出与毒素和抗毒素有着千丝万缕的联系。

事实上，数学建模研究已经证明了TA系统的独特，容易产生两个稳定的细菌种群，一种小休眠的种群和快速增长的种群（图三）。最简单地说，细胞进入持续状态当毒素浓度超过它的抗毒素设定的临界值时。怎样获得细胞群的不断增长目标？一种可能性是由于细胞，由于局部可以获得营养物，经历了饥饿情况下。这个原因导致（p）ppGpp警报器的等级增长，它的激活Lon蛋白酶并且导致了抗毒素降解。最后的结果是一个转换从低到高的TA，允许现在自由毒素发挥它的毒素影响。但是，虽然这提供了一个分子描述，细胞怎么进入持久状态，允许细胞退出持久状态已经被证明更加难以琢磨。至关重要的是，一些最近的研究表明，一种机制潜移默化的作用于II型TA系统由于退出持久性是一种现象，称为条件合作。

条件合作

大多数TA基因位点，特别是II型TA基因位点，是转录自动调节。这是因为抗毒素包含两个结构域，一种结合DNA，另一种结合同源毒素。抗毒素，通过他们的DNA结合结构域，直接结合一个或更多的启动子位于他们TA基因位点的启动子中，从而抑制转录。在大多数情况下，但不是所有情况，同源毒素结合抗毒素增强了DNA结合。这增加了亲和力导致更多有效的转录抑制。

抗毒素的毒素结合结构域经常是本质上无序的（IDPs，本质上是无序的蛋白质）在毒素缺席的情况下。尽管IDPs是存在贯穿于整个真核蛋白质组中，他们扮演着重要作用在信号传导中，但是在其他过程中，他们很少出现在原核基因组中。

抗毒素是值得被注意的例外，在绝大多数抗毒素结合域是IDPs在缺乏毒素的情况下。无序状态的优点是什么？一种猜想是毒素结合结构域的IDP本性可能会使抗毒素更加敏感的被蛋白质水解影响。第二，他们能与只有限数量的残基介导高亲和力相互作用：就是，IDPs可能结合延伸的表面，这需要四到五倍的残基。第三，他们对TA系统的规则很重要。后者已经在很多TA系统中进行了演示，其中的IDPs的功能是将转录与毒素活性和抑制结合起来。他们也出现在特别重要的系统规律，通过条件合作，如下所述。

在1998年，它被发现在Doc\Phd TA系统中，大量过度的毒素被抑制却不是被抑制转录一个现象后来被命名为条件合作。在这之后，一个类似的意见被提出（图二）：同样的，从抑制到去抑制复合物的转变，伴随着一个TA复合物本身齐聚状态的变化。这个小组研究了II型TA系统CcdB\CcdA（包括控制细胞死亡蛋白质B，毒素，抑制DNA回旋酶和蛋白质A，抗毒素）。最大值DNA结合和抑制作用被观察当CcdB比CcdA是1:1.但是，CcdB:CcdA的比例大于一则取消DNA的结合（图四）。这导致了增强，而不是抑制转录。因此，作者假设在毒素过量的情况下，CcdA和CcdB两者的翻译和转录都会增加，最后导致一个比例，允许细胞退出永久状态，并且回复快速增长。之后另外的TA系统也有被证实规律的条件合作，包括parDE,relBEkid\kis,vapBC和phd\doc。关键是，条件合作在数学模型中应用于TA规律性已经被表明它能够提供一个单一的文化中维持两个种群所需的双稳态，其中一个是主动的生长和休眠。因此，广泛传播的条件合作在II型TA家族中导致了这种建议，塔是TA转录的一种动态机制调整到细胞内的毒素浓度，并且它可能提供一种退出持久状态的机制。尽管洞察了提供通过这些最近的实验和建模研究，详细机制通过细胞产生的持续状态

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