文章题目：Switching on cyclic di-GMP heterogeneity in Pseudomonas aeruginosa biofilms
中文译文：铜绿假单胞菌生物被膜中的环二鸟苷酸异质性开关
通讯作者：Jasper B. Gomez & Christopher M. Waters
作者单位：密歇根州立大学微生物学和分子遗传学学系，美国
发表期刊：Nature Microbiology
IF：20.5
发表时间：2023年7月24日
DOI号：10.1038/s41564-023-01428-5
铜绿假单胞菌在生物被膜中驱动c-di-GMP信号的异质性，作为一种分工策略，以最大限度地利用HecE蛋白进行定殖和扩散。
遗传相关生物群体通常使用劳动分工策略来应对复杂的挑战。例如蜜蜂，分为工蜂、饲养蜂和蜂王的社会等级，以促进蜂群的适合度。智人还从事劳动分工策略，早期人类专门从事不同的任务，以提高社区的整体实力和恢复力。细菌，一度被认为是简单的自主机器，其唯一目的是尽可能快地复制，也承担着劳动分工的策略。例如，黄色黏球菌通过形成三个不同的细胞亚群来产生宏观子实体：柄形成细胞、抗性粘孢子虫和裂解细胞亚群，提供营养物质并使孢子分化。在枯草芽孢杆菌生物被膜形成过程和蓝细菌链形成过程中也存在分工。在革兰氏阴性致病菌铜绿假单胞菌中也存在这种现象。本文作者发现了一种随机的遗传开关，它产生了功能不同的细菌亚群，通过调节第二信使环二鸟苷酸( c-di-GMP )来平衡生物被膜的发展和在表面的扩散。
铜绿假单胞菌生长在不同的环境中，从土壤，到慢性感染囊性纤维化的人类患者的肺，到烧伤创面和导管上。为了在这些环境中生存，如宿主免疫系统，铜绿假单胞菌形成了被称为生物被膜的多细胞细菌群落。生物被膜的形成是一个昂贵的过程，在表面附着会限制定植和扩散到新的区域。因此，平衡固着生物被膜形成的生活方式与运动、定植表型是铜绿假单胞菌的关键。为了维持这种平衡，铜绿假单胞菌利用信号c-di-GMP。该信号在许多细菌物种中普遍存在，并且在大多数已研究的细菌中，细胞内高浓度的c-di-GMP在抑制细胞运动的同时促进细菌生物被膜的形成。尽管细菌对胞内c-di-GMP变化的一般反应已经比较清楚，但单个细胞如何在不同的环境或发育过程中改变这种信号，以及这是否影响细菌群体内的异质性，才刚刚开始研究。
在原文中，Manner等人扩展了他们的单细胞分析，以研究c-di-GMP是否参与铜绿假单胞菌生物被膜发育的后期阶段。当细胞内c-di-GMP水平较高时，铜绿假单胞菌形成小菌落变种( SCVs )，提供了一种简单的表型，使作者能够筛选高c-di-GMP的铜绿假单胞菌转座子突变株。他们发现了2个与SCV形态型相关的基因，命名为hecR和hecE。作者发现组成型表达的hecE在诱导SCV形成的同时增加了表面粘附，提示其增加了细胞内c-di-GMP水平。HecE通过激活二鸟苷酸环化酶WspR，以未知的机制合成c-di-GMP。它还通过直接的蛋白-蛋白相互作用抑制c-di-GMP降解的BifA磷酸二酯酶。总体而言，这增加了信号水平。WspR和BifA都是铜绿假单胞菌c-di-GMP和生物被膜形成的重要调节因子。在bifA和wspR缺失的情况下，hecE不再影响生物被膜的形成，表明HecE通过这些因子专一地介导c-di-GMP的变化。
有趣的是，利用HecE和c-di-GMP的荧光报告子，作者发现HecE在整个生物被膜中的表达并不均匀。相反，hecE的随机表达控制着铜绿假单胞菌生物被膜的形成和扩散。在生物被膜的早期阶段，表达hecE的细胞和不表达hecE的细胞共存于生物被膜中。然而，在生物膜形成中期，hecE低表达的细胞由于具有较低的c-di-GMP和较高的运动性而分散。但这种生物被膜形成细胞与生物被膜分散细胞的比例是如何决定的？高表达HecE的细胞比例由转录调控因子hecR控制，hecR与hecE共同编码一个操纵子。为了响应特定的环境线索，hecR以正反馈循环的方式激活hecRE操纵子，导致HecR和HecE表达增加。因此，在某些环境中，铜绿假单胞菌的生物被膜是为了促进生物被膜的发育，而在其他条件下，更多的群落成员则是为了传播。
HecRE分子开关通过c-di-GMP调控铜绿假单胞菌生物被膜的发育和异质性示意图。在表面相遇时，铜绿假单胞菌附着并经历不对称的细胞分裂。产生具有低c-di-GMP的移动细胞，使其在新的环境中定殖，以及具有增加细胞内c-di-GMP的第二个附着的前锋细胞，从而启动生物被膜形成。随着生物被膜的形成，环境信号和自身调节上调HecR，诱导HecE在部分细胞中高表达。HecE激活c-di-GMP合成酶WspR，抑制磷酸二酯酶BifA，增加胞内c-di-GMP和生物被膜的形成。部分生物被膜菌不诱导HecE，c-di-GMP含量较低。随着生物被膜的成熟，这种细菌亚群分散到新的区域定殖。
https://college.mimazi.net/course/article-54.html
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