王海連, 姜北, 喻勝鵬, 黎庶, 胡曉梅, 譚利
(1.清華大學(xué) 玉泉醫(yī)院 保健科, 北京 100049; 2.陸軍軍醫(yī)大學(xué) 西南醫(yī)院 燒傷科, 重慶 400038; 3.陸軍軍醫(yī)大學(xué) 西南醫(yī)院 骨科, 重慶 400038; 4.陸軍軍醫(yī)大學(xué) 微生物學(xué)教研室, 重慶 400038)
金黃色葡萄球菌(簡(jiǎn)稱金葡菌)既可以作為共生體存在于人體皮膚和黏膜中,也可以在血液和各種組織中存活,引起各種疾病如化膿性感染、食物中毒、毒性休克綜合征、敗血癥等感染性疾病,被認(rèn)為是全球醫(yī)院和社區(qū)獲得性感染的主要原因之一,亟須開(kāi)發(fā)新的控制策略[1-3].金葡菌可產(chǎn)生大量毒力因子參與致病,比如血漿凝固酶、殺白細(xì)胞素(panton-val-entine leukocidin, PVL)、葡萄球菌溶血素、 腸毒素、毒性休克綜合征毒素、表皮溶解毒素等[4-5].其中許多毒力因子受雙組分信號(hào)系統(tǒng)的調(diào)控[6].金葡菌中比較重要的雙組分信號(hào)系統(tǒng)包括Agr,SaeRS,ArlRS,VraSR等[6-7].其中Agr群體感應(yīng)系統(tǒng)是重要的雙組分系統(tǒng),調(diào)節(jié)多種毒力基因的表達(dá)[8-9].金葡菌Agr系統(tǒng)由RNA Ⅱ和RNA Ⅲ組成,分別由P2和P3啟動(dòng)子控制轉(zhuǎn)錄.其中,RNA Ⅱ操縱子由agrA、agrB、agrC、agrD4個(gè)基因組成.當(dāng)Agr系統(tǒng)活化時(shí),agrD基因編碼的前體多肽經(jīng)AgrB蛋白的修飾和酶解作用轉(zhuǎn)化成自誘導(dǎo)肽(autoinducing peptide,AIP),并在AgrB蛋白輔助下分泌到胞外.當(dāng)AIP分子達(dá)到臨界水平時(shí)能與膜上的AgrC受體蛋白相互作用,使得AgrC蛋白活化,發(fā)揮組氨酸激酶活性,催化反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白AgrA發(fā)生磷酸化,磷酸化的AgrA蛋白結(jié)合于靶基因啟動(dòng)子區(qū)域的特定位點(diǎn),進(jìn)而調(diào)控RNAⅡ、RNAⅢ操縱子及靶基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)[10].
Agr系統(tǒng)通過(guò)將AgrA直接結(jié)合到PSM啟動(dòng)子區(qū)域,調(diào)控PSM的表達(dá)[11-12].此外,也通過(guò)調(diào)節(jié)RNA III控制多種毒力基因的表達(dá).Agr系統(tǒng)通過(guò)與目標(biāo)基因群直接堿基配對(duì),或間接控制調(diào)控轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,如Rot、SarT和SarS,上調(diào)或下調(diào)毒力基因表達(dá)[13].Agr系統(tǒng)是金葡菌重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子.多年的研究,人們對(duì)于Agr系統(tǒng)的組成、功能活性及基因調(diào)控機(jī)制均有一定的了解.但從AgrB、AgrD、AgrC蛋白的角度研究其對(duì)金葡菌Agr系統(tǒng)基因調(diào)控功能的影響尚未有報(bào)道,故本課題將研究Agr系統(tǒng)及其調(diào)控機(jī)制以及對(duì)金葡菌致病作用的影響等.
1.1.1 細(xì)菌
大腸埃希菌DH5α為本實(shí)驗(yàn)室保存, 溫度敏感性質(zhì)粒pBT2用于構(gòu)建敲除載體,可在大腸埃希菌和金葡菌中復(fù)制.金葡菌 Newman購(gòu)自中國(guó)菌種保藏中心,金葡菌RN4220為限制性內(nèi)切酶缺陷菌株,可對(duì)來(lái)自大腸埃希菌的質(zhì)粒pBT2進(jìn)行修飾.
1.1.2 主要試劑和實(shí)驗(yàn)儀器
Taq DNA聚合酶,氯霉素(chloramphenicol,Chl)和氨芐(ampicillin,Amp)購(gòu)自上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司;PrimeSTAR高保真聚合酶購(gòu)自 TaKaRa 公司;胰蛋白胨大豆肉湯培養(yǎng)基(Tryptone soya broth, TSB)、 限制性內(nèi)切酶購(gòu)自Thermo Scientific 公司;瓊脂糖凝膠回收試劑盒、質(zhì)粒抽提試劑盒購(gòu)自 Promega 公司;溶葡菌素購(gòu)自Sigma公司.
1.2.1 引物設(shè)計(jì)
以金葡菌Newman的基因組序列為模板,距離agrB/D/C基因上下游各1 000 bp左右設(shè)計(jì)同源左右臂引物對(duì)(引物名稱見(jiàn)表1),并引入相應(yīng)的酶切位點(diǎn)(表1下劃線部分).在載體pBT2上設(shè)計(jì)一條引物pBT2-Hind III用于敲除株單交換鑒定,在agrB/D/CNewman基因左臂外側(cè)及右臂外側(cè)各設(shè)計(jì)1條引物用于敲除株雙交換鑒定.實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物根據(jù)Newman基因組中各基因序列設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)好的引物交由重慶擎科興業(yè)生物技術(shù)有限公司完成.敲除株構(gòu)建各引物序列詳見(jiàn)表1.
表1 PCR引物及序列Table 1 PCR primers and sequences
1.2.2ΔagrB/D/C/Newman敲除株的構(gòu)建
以金葡菌Newman基因組為模板,以agrB/D/Cup引物對(duì)和agrB/D/Cdown引物對(duì),PCR擴(kuò)增agrB/D/C同源左右臂片段,用限制性內(nèi)切酶處理后,在T4 DNA連接酶的作用下克隆入穿梭質(zhì)粒pBT2,轉(zhuǎn)化大腸埃希菌DH5α, 構(gòu)建敲除載體(pBT2∷agrB/D/C).陽(yáng)性質(zhì)粒經(jīng)電穿孔轉(zhuǎn)化金葡菌RN4220進(jìn)行修飾.陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子經(jīng)測(cè)序驗(yàn)證無(wú)誤后,電轉(zhuǎn)化金葡菌Newman感受態(tài).30℃孵箱過(guò)夜培養(yǎng)后,按1∶100體積比接種于TSB 氯霉素培養(yǎng)基中.42 ℃過(guò)夜培養(yǎng)后將菌液用三線法劃TSB氯霉素平板再次于42 ℃孵箱培養(yǎng).隨機(jī)挑取單菌落過(guò)夜培養(yǎng)后抽提基因組,PCR擴(kuò)增篩選單交換敲除株.按1∶100體積比接種于TSB液體培養(yǎng)基中于25 ℃誘導(dǎo)雙交換.挑單菌落分別接種于無(wú)抗TSB和10 μg/mL氯霉素抗性TSB平板,37 ℃孵箱培養(yǎng).PCR擴(kuò)增篩選雙交換敲除株.
1.2.3 生物學(xué)特性分析
37 ℃過(guò)夜培養(yǎng)金葡菌Newman野生株和ΔagrB/D/CNewman敲除株, 將過(guò)夜菌按1∶100體積比轉(zhuǎn)種體積2 mL新鮮TSB液體培養(yǎng)基置于37 ℃再次振搖培養(yǎng)過(guò)夜.
用無(wú)菌TSB按1∶1 000體積比稀釋菌液,取10 μL菌液滴加血平板,置于37 ℃孵箱過(guò)夜培養(yǎng);取出血平板放于冰箱24 h后觀察溶血現(xiàn)象.另取野生株和敲除株過(guò)夜培養(yǎng)菌各10 μL 滴于方形平皿各3個(gè)重復(fù),過(guò)夜培養(yǎng)觀察色素形成;采用結(jié)晶紫染色法測(cè)定生物膜形成能力,離心收集過(guò)夜培養(yǎng)菌,以TSB(含體積分?jǐn)?shù)1%的glucose和體積分?jǐn)?shù)2%的Nacl)稀釋至1.0×1010CFU/L,以每孔200 μL加入96孔版,37 ℃孵育24 h,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的結(jié)晶紫染色,然后每孔加入體積分?jǐn)?shù)為30%的冰醋酸溶解,測(cè)量492 nm處光密度值.
1.2.4 SDS-PAGE分析
37 ℃過(guò)夜培養(yǎng)金葡菌Newman野生株和ΔagrB/D/CNewman敲除株, 次日將過(guò)夜菌按1∶100體積比轉(zhuǎn)種2 mL 新鮮TSB液體培養(yǎng)基,37 ℃振搖培養(yǎng)16 h后取1 mL菌液用TCA-丙酮蛋白濃縮法濃縮沉淀上清蛋白;用60 μL PBS溶解沉淀后加入蛋白上樣緩沖液,煮沸10 min后,進(jìn)行SDS-PAGE分析.
1.2.5 實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-PCR)
37 ℃過(guò)夜培養(yǎng)金葡菌Newman野生株和ΔagrB/D/CNewman敲除株,次日將過(guò)夜菌按1∶100體積比轉(zhuǎn)種2 mL 新鮮TSB液體培養(yǎng)基,37 ℃振搖培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,取200 μL菌液進(jìn)行細(xì)菌總RNA抽提:菌液離心集菌后,重懸于100 μL (Tris-EDTA,TE)緩沖液(含質(zhì)量濃度為3 mg/mL溶菌酶和10 μL 質(zhì)量濃度為1 mg/mL的溶葡萄球菌素),37 ℃作用0.5 h破壞細(xì)菌細(xì)胞壁,而后參照Promega公司的RNA抽提試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行細(xì)菌總RNA提取.用gDNA Eraser(Takara公司)去除基因組污染后,用primescript RT Reagent Kit(Takara公司)進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄反應(yīng).cDNA樣本經(jīng)稀釋后,用SYBR Premix ExTaqTMⅡ (Tli RNaseH plus)試劑(Takara公司)對(duì)Newman野生株及敲除株的hla,hlb, pvl等毒力基因及受Agr調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行定量RT-PCR分析比對(duì).RT-PCR反應(yīng)條件:95 ℃ 30 s;95 ℃ 8 s,52 ℃ 30 s,72 ℃ 20 s,40 循環(huán).
本實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用 SPSS 19.0軟件和GraphPad Prism 6.0 軟件,用t檢驗(yàn)比較兩組數(shù)值差異,P<0.05代表具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異.
以金葡菌Newman 基因組為模板,以agrB/D/C-up引物對(duì)擴(kuò)增得到同源左臂片段803 bp,以agrB/D/C-down引物對(duì)擴(kuò)增得到同源右臂片段957 bp.用限制性內(nèi)切酶處理后,在T4 DNA連接酶的作用下克隆入穿梭質(zhì)粒pBT2構(gòu)建pBT2∷agrB/D/C敲除質(zhì)粒.pBT2∷agrB/D/C/質(zhì)粒經(jīng)RN4220限制修飾以后電轉(zhuǎn)Newman 感受態(tài).利用PCR鑒定敲除株.結(jié)果顯示:以agrB/D/C-for、agrB/D/C-rev特異引物對(duì)擴(kuò)增時(shí),以野生株為模板擴(kuò)增出2 024 bp片段(圖1泳道1),而敲除株未能擴(kuò)增出條帶(圖1泳道3、5);以agrB/D/Cup-for、agrB/D/Cdown-rev為引物對(duì)擴(kuò)增,以突變株為模板擴(kuò)增出的片段(1 760 bp,圖1泳道4、6)明顯小于以野生株為模板擴(kuò)增出的片段(3 784 bp,見(jiàn)圖1泳道2),提示agrB/D/C基因已從Newman基因組中成功敲除.將PCR產(chǎn)物送出測(cè)序證實(shí)ΔagrB/D/C/Newman敲除株構(gòu)建成功.
M: 核酸標(biāo)準(zhǔn);泳道1、2為Newman野生株;泳道3、4、5、6為ΔagrB/D/C/Newman敲除株.
M:DNA Marker; lane 1、2 refers to wide type Newman; lane 3、4、5、6 refers toΔagrB/D/CNewman mutant strain.
圖1ΔagrB/D/C/Newman敲除株的PCR鑒定
Fig.1 Identification of knocked outagrB/D/Cgene in Staphylococcus aureus by PCR
對(duì)野生株以及敲除株的溶血活性、色素、生物膜形成能力等生物學(xué)特性進(jìn)行分析,結(jié)果表明,ΔagrB/D/C/Newman敲除株的溶血活性顯著低于野生株(圖2A);過(guò)夜培養(yǎng)Newman野生株與敲除株,與野生株Newman相比,ΔagrB/D/C/Newman敲除株色素形成能力減弱,形成灰白色的菌落(圖2B).用結(jié)晶紫染色法測(cè)定野生株與敲除株生物膜形成能力,結(jié)果顯示,ΔagrB/D/C/Newman敲除株的生物膜形成能力顯著高于野生株(圖2C).
WT:wild type,Newman 野生株; Mu:mutant,ΔagrB/D/C/Newman敲除株. A:溶血現(xiàn)象;B:色素形成能力;C:生物膜形成能力.
WT: wide type, Newman wide type strain; Mu:mutant,ΔagrB/D/CNewman mutant strain. A:hemolytic ability; B:pigment formation; C:biofilm formation ability.
圖2 Newman野生株及ΔagrB/D/C敲除株生物學(xué)特性
Fig.2 The biological characteristics of Staphylococcus aureus Newman andΔagrB/D/C/Newman
37 ℃ 過(guò)夜培養(yǎng)金葡菌Newman野生株和ΔagrB/D/C/Newman敲除株次日按1∶100體積比轉(zhuǎn)種新鮮TSB培養(yǎng)基培養(yǎng)18 h,離心收集培養(yǎng)上清,TCA法沉淀上清蛋白,而后經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 的SDS-PAGE電泳,考馬斯亮藍(lán)染色.結(jié)果顯示:ΔagrB/D/C/Newman敲除株與野生株培養(yǎng)上清的蛋白表達(dá)譜有顯著差異.與Newman野生株相比,agrB/D/C的敲除可導(dǎo)致多個(gè)分泌蛋白表達(dá)水平明顯降低(圖3),同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致部分蛋白表達(dá)上升,這可能與 Agr 系統(tǒng)活性降低有關(guān).將野生株和ΔagrB/D/C敲除株差異蛋白條帶進(jìn)行質(zhì)譜分析,結(jié)果顯示ΔagrB/D/C敲除株上清蛋白與野生株蛋白差異最大的幾條主要條帶分別為α-溶血素(alpha-hemolysin,hla)相對(duì)分子量為41.00;γ-溶血素(gamma-hemolysin, hlgB)相對(duì)分子量為35.00;酚溶調(diào)蛋白(phenol-soluble modulin,psm)相對(duì)分子量為44.00; 絲氨酸氨酸蛋白酶(staphylococcal serine proteinase A,sspa)相對(duì)分子量為25.00等(表2),表明金葡菌的這些毒力因子的表達(dá)主要受 Agr 系統(tǒng)調(diào)控.
M:marker,蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);WT:wide type, Newman 野生株;Mu:mutant;ΔagrB/D/C/Newman敲除株.
M: marker,protein Marker; WT: wide type, Newman wide type strain; Mu:mutant; ΔagrB/D/C Newman mutant strain.
圖3 Newman 野生株及ΔagrB/D/C敲除株培養(yǎng)上清蛋白電泳
Fig.3 Effect ofΔagrB/D/Cgenes knocking out on the exoprotein of Staphylococcus aureus by SDS-PAGE
為進(jìn)一步檢測(cè)agrB/D/C敲除之后Agr系統(tǒng)的活性以及毒力因子的表達(dá)水平,分別培養(yǎng)Newman野生株及ΔagrB/D/C/Newman敲除株至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,抽提野生株和敲除株總RNA,逆轉(zhuǎn)錄生成cDNA,qRT-PCR技術(shù)檢測(cè)Agr系統(tǒng)相關(guān)調(diào)控因子和毒力基因的轉(zhuǎn)錄水平.結(jié)果表明:agrB/D/C敲除后,未檢測(cè)到agrA的轉(zhuǎn)錄(圖4),表明agrB/D/C敲除之后,不能磷酸化AgrA蛋白,agrA不能轉(zhuǎn)錄,Agr系統(tǒng)失去活性.溶血素是金葡菌中重要的毒力因子,采用 qRT-PCR 檢 測(cè)了 RNAIII、 α-溶血素、γ-溶血素、酚溶調(diào)節(jié)蛋白、lukF等受 Agr 調(diào)控的毒力基因的表達(dá)情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些毒力基因的表達(dá)顯著降低.而自溶素(aur),表面蛋白(surface protein,spa)的表達(dá)水平顯著升高.
表2 Newman 野生株及ΔagrB/D/C/Newman敲除株上清蛋白質(zhì)譜分析結(jié)果Table 2 Typical proteins of spectrum analysis of Newman wild strain and ΔagrB/D/C/Newman deficient mutant strain
agrA:附屬調(diào)節(jié)基因A;rot:毒素抑制蛋白; sarA:葡萄球菌輔助調(diào)節(jié)因子A; aur:自溶素; crtN:類胡蘿卜素; lukF:殺白細(xì)胞素; psmα:酚溶調(diào)蛋白α; psmβ:酚溶調(diào)蛋白β
WT:wide type, Newman 野生株;Mu:mutant,ΔagrB/D/C/Newman敲除株.
WT: wide type,Newman wide type strain; Mu:mutant;ΔagrB/D/C Newman mutant strain.
圖4 Newman 野生株及ΔagrB/D/C/Newman敲除株毒力基因轉(zhuǎn)錄水平
Fig.4 Transcriptional levels of virulence genes ofS.aureusNewman and it′s mutant strainΔagrB/D/C/Newman
Agr是金葡菌重要的全局性轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,通過(guò)磷酸化的AgrA蛋白結(jié)合于靶基因啟動(dòng)子區(qū)域是Agr系統(tǒng)RNAⅡ調(diào)控模式調(diào)控基因表達(dá)的分子機(jī)制[10].然而,AgrA的氨基酸序列在金葡菌中是高度保守的.4類Agr系統(tǒng)的不同在于AgrB、AgrD、AgrC蛋白的序列高變性[14].因此推測(cè)AgrB、AgrD、AgrC蛋白的差異通過(guò)改變AgrA蛋白活性,進(jìn)而影響Agr系統(tǒng)對(duì)靶基因的調(diào)控,導(dǎo)致不同Agr類型菌株基因的差異性表達(dá)及細(xì)菌致病力強(qiáng)弱的改變.由于Agr是一個(gè)綜合系統(tǒng),這些變異必須協(xié)同進(jìn)化,以維持Agr功能,使細(xì)菌能夠逃避宿主防御,在宿主內(nèi)傳播,并降解宿主細(xì)胞和組織[15].
研究發(fā)現(xiàn)Agr系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)毒力因子、生物膜形成以及耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)的異質(zhì)性耐藥,在發(fā)病機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用[15-16].Agr系統(tǒng)可以上調(diào)毒力基因的表達(dá),比如α-溶血素、 β-溶血素(hlB)、 γ-溶血素、殺白細(xì)胞素、脂肪酶、酚溶蛋白、毒性休克綜合征毒素等.抑制細(xì)胞壁相關(guān)蛋白的轉(zhuǎn)錄比如蛋白A,凝固酶,纖連蛋白等[17].為進(jìn)一步探討agrB/D/C基因的功能,實(shí)驗(yàn)采用同源重組技術(shù)對(duì)金葡菌Newman菌株的agrB/D/C基因簇進(jìn)行敲除,成功構(gòu)建了一株agrB/D/C基因簇(包含agrB、agrD、agrC3個(gè)基因)缺失的Newman敲除株.通過(guò)對(duì)敲除株的溶血活性、色素形成、生物膜形成等生物學(xué)特性分析發(fā)現(xiàn),敲除株的溶血活性顯著低于野生株.qRT-PCR 結(jié)果顯示agrB/D/C敲除后,agrA無(wú)轉(zhuǎn)錄.受Agr系統(tǒng)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子和毒力基因水平顯著改變,說(shuō)明agrB/D/C可以影響agrA的轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而調(diào)控毒力因子表達(dá),增強(qiáng)細(xì)菌致病性.金葡菌可以產(chǎn)生金黃色色素,這種金黃色的類胡蘿卜素可以增強(qiáng)細(xì)菌對(duì)氧化脅迫和對(duì)宿主嗜中性粒細(xì)胞吞噬的抵抗能力,從而幫助細(xì)菌逃避宿主的免疫系統(tǒng),與細(xì)菌的毒力有著密切的聯(lián)系[18].敲除agrB/D/C之后發(fā)現(xiàn)金葡菌產(chǎn)生色素的能力明顯降低,菌落顏色由原來(lái)的金黃色變成了灰白色(圖2),qRT-PCR結(jié)果顯示,控制色素表達(dá)的基因crtN轉(zhuǎn)錄水平顯著降低.說(shuō)明金葡菌Agr系統(tǒng)可以正調(diào)控色素的形成從而影響細(xì)菌毒力.此外,敲除agrB/D/C后,細(xì)菌形成生物被膜的能力顯著增強(qiáng),說(shuō)明Agr負(fù)調(diào)控生物膜的形成.
以往的研究表明Agr系統(tǒng)調(diào)控多個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[19],本研究發(fā)現(xiàn)敲除agrB/D/C基因簇后,敲除株分泌蛋白的種類和數(shù)量顯著降低,也有少數(shù)蛋白表達(dá)上升.說(shuō)明Agr系統(tǒng)調(diào)控多個(gè)分泌蛋白的表達(dá),但主要以正調(diào)控為主.培養(yǎng)上清蛋白表達(dá)譜分析,發(fā)現(xiàn)agrB/D/C基因簇的缺失可導(dǎo)致金葡菌α-溶血素、γ-溶血素、psm等溶血素表達(dá)降低, 表面蛋白A等蛋白表達(dá)上升,RT-PCR也證實(shí)了該結(jié)果.
綜上,本研究成功構(gòu)建了金葡菌ΔagrB/D/C/Newman敲除株,檢測(cè)到敲除株的生物學(xué)特性發(fā)生明顯改變:溶血活性降低,色素形成能力降低,生物膜形成能力增強(qiáng).產(chǎn)生的上清蛋白譜中多個(gè)蛋白表達(dá)水平改變,轉(zhuǎn)錄水平也證實(shí)多個(gè)毒力基因表達(dá)改變.本研究為進(jìn)一步研究不同類型agrB/D/C對(duì)金葡菌Agr系統(tǒng)活性及金葡菌毒力基因分泌表達(dá)及細(xì)菌致病力的影響提供重要前提,為研究金葡菌致病機(jī)理以及抗金葡菌慢性感染策略奠定基礎(chǔ).
暨南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與醫(yī)學(xué)版)2019年6期