调控生物膜形成机制的进展

1Spo0A调节机制

Molle等人研究发现Spo0A基因是一个中央转录监管机制，控制着超过100个基因的表达，包括生物膜基质所必需的基因表达和孢子的形成。这种蛋白活性的调节由一个单一的天门冬氨酸残基的磷酸化，而所有的磷酸化和非磷酸化形式的Spo0A基因都是在细胞中被发现。在给定的细胞中：磷酸化Spo0A基因（Spo0A-P）的浓度确定该细胞的基因表达谱，Spo0A-P浓度的变化，有利于控制基因的差异[19]。例如，基质基因的表达或者更高的水平Spo0A-P诱导孢子形成的基因。因此，当Spo0A基因最初是磷酸化时，基质基因表达可以诱导生物膜形成，随着生物膜的成熟，Spo0A-P在某些细胞累积并激活孢子的形成。确定的Spo0A-P浓度由至少四个Kina（KinA，KinB，KINC和KinD）的行为直接通过Spo0A基因缺失或间接通过磷的活动决定的[20]。磷酸化的开始，这是KinA、KinB、KINC和KinD通过其磷酸基团，然后去磷酸化Spo0B，接着磷酸化Spo0A。另外第五激酶KinE也可以带动这条途径，但它似乎并没有在基质基因表达中起到作用[21]。磷酸化有许多层次的监管，这个话题早已经被评论了[22]。没有单一激酶是全权负责基质基因的表达，而是根据信号的不同的激酶变化的贡献呈现生长条件来分析的[23]。特定的信号分子，引发这些激酶磷酸的Spo0A基因。Spo0A-P管理控制主控调节SinR，阻遏eps和tapA-sipW-ta-sA操纵子的活性基质基因表达。SinR基质基因的抗阻遏物，SinR在Spo0A-P的控制下来完成的。此外，SinR也抑制了调节基因slrR[24]。然而，当SinI表达时，它通过SinR介导压制形成的一个SinI-SinR合成体阻断SinR不能结合DNA[25]。SinR在所有的细胞中都会产生，但在一小部分细胞中SinI是休眠状态，因此，只有一个细胞的亚群表达tapA-sipW-tasA和eps操纵子[26]。除了确定哪些细胞表达基质基因外，Spo0A-P水平确定了这些细胞中的基质基因表达的持续时间。对Spo0A-P而言，sinI的启动子包含一个高亲和力催化剂和多个低亲和力操纵子[27]。Fu-jita等[19]人研究发现当Spo0A-P水平相对较低时，高亲和力的活化剂被限制，并抑制sinI的表达。Spo0A-P的水平的增加，使得低亲和力操纵子被占据和sinI表达进一步被削减。与此同时，孢子形成基因被高水平的Spo0A-P激活。此外，一旦孢子形成过程开始，第二个和嵌入式的机制就会来关闭基质基因。SinI和SinR的功能是相当敏感：sinI和sinR基因仅仅翻一番就能完全阻碍基质的生产[28]。在早期孢子形成在母细胞内染色体的两个副本存在下延长，导致SinI和SinR水平更高，其中足以抑制基质基因的表达。同时，Spo0A-P对于sinI启动子的亲和力和基因si-nI和sinR拷贝数确保该基质基因表达是否暂时性，形成孢子细胞不会消耗产生的细胞外基质的能量。Spo0A-P也抑制着第二基质基因阻遏者AbrB[29]。AbrB像SinR一样也能抑制tapA-sipW-tasA和eps操纵子[30]。此外，AbrB抑制基质蛋白BslA和调节蛋白SlrR、Abh的表达。两个Spo0A基因调控具有高度重叠靶标的阻遏物SinR和AbrB，可能是微调调节生物膜的形成和确保所有基质基因协调表达的一种手段。

2SlrR-SinR调节机制

正如上文所述，SinR和AbrB抑制调控蛋白SlrR的表达。SlrR控制生物膜的形成至关重要的两个方面[31,32]。首先，SlrR结合在SinR上形成一个SinR-SlrR的复杂结合体，使SinR去掉从而防止它抑制基质基因启动子（eps和tapA-sipW-tasA操纵子）和slrR启动子。这将导致slrR、SlrR和SinR在自我增强，通过SlrR表达和阻断SinR活动，导致slrR基因去除阻遏。当SlrR水平很高时，因为自由SinR水平低，基质基因也会去除阻遏。相反，当SlrR水平低，SinR未受到抑制，因此SlrR被抑制和基质操纵子也被关闭。枯草芽孢杆菌中生物膜结构侵袭时细胞链是必不可少的。细胞链接实现由SinR-SlrR介导抑制自溶素产生，需要单独的细胞链来完成的。SlrR是LexA蛋白酶家族的一个成员，不稳定易水解，并且易分裂[33]。此外，SlrR裂解取决于ClpCP蛋白酶。这种不稳定性最终导致SlrR降解和自溶素基因去除阻遏，从而使细胞链分开。通过使用不可裂解的SlrR突变体或通过产生一个抑制分离链，使自溶素（LytC、LytD和LytF）缺乏导致细胞分开，然而不会改变薄膜的形成。SlrR-SinR开关存在两种状态：一个是SlrR水平低的状态，一个是SlrR水平高的状态。但是，用什么来控制开关从低到高的状态？此开关是通过在Spo0A-P控制下产生的SinI来完成的。因此，产生SinI来抑制SinR活动，导致slrR脱抑制。这导致SlrR高水平积累，进一步抑制SinR，推动开关成高SlrR的状态。由于开关是自我强化，它仍然存在许多世代高的状态，可以说是一个表观遗传开关。Kobayashi[32]研究发现表观遗传开关组件从另一种途径（YwcC和SlrA）受到额外的调节。SlrA与SinI是同源的，因此具有一个SinR抗阻遏的功能；slrA基因受TwcC控制。当YwcC收到一个未知信号，slrA去除阻遏，基质基因通过SlrA的灭活来诱导SinR。然而，SlrA不像SinI那样，几乎所有的细胞都有，瞬时提高自身基质生产。在这个意义上，YwcCSlrA通路可能构成细胞应激反应途径，确保细胞快速响应不断变化的环境，保护细菌菌落形成生物膜[31]。

3Abh调节机制

Murray等[34]人研究发现slrR可以间接激活Abh转录来调节蛋白。abh基因本身受AbrB控制，其转录是受一些细胞质外RNA聚合酶σ因子控制[35]。ECFσ因子由各种外部刺激（细胞壁应力和特定抗生素）激活，从而提供了一个Spo0A基因独立的机制，用于响应外部条件的变化[36]。SlrR的积极表达除了受Abh之外的其他一些蛋白质管制。例如，SlrR高水平表达需要YmdB（磷酸酯酶）。此外，slrR表达也需要两种小分子蛋白（RemA和RemB）[37]。遗传分析表明Re-mA和RemB通过SlrR激活eps和tapA-sipW-tasA基质操纵子表达。这些小蛋白质的功能仍有待确定，但他们与已知的基质基因调控蛋白（SinR，AbrB和DegU）很相似。2.4其他调控途径生物膜的形成还受另外一个通道调节，这个通道调节bslA基因和pgs操纵子表达，涉及DegSDegU双组分系统[38]。在这个系统中，作为调节器的DegS是组氨酸激酶的传感器，可以使DegU磷酸化。在枯草芽胞杆菌中DegU是一个全局调节器，它参与多种细胞过程的调控，如调控分泌降解酶的动力和能力。此外，degU突变体由于聚合物PGA的缺失而不能形成淹没式生物膜。另外，degU突变体由于表面的疏水性蛋白BslA的损失不能形成细胞集落式生物膜。本文来自于《轻工轻工科技杂志简介详见

4展望

在过去的十年里，生物膜已在多学科中被研究，其中包括微生物学、医药工程、环境工程、生物工程、化学、物理及材料科学等诸多学科，近十年来获得许多突出成果。通过对生物膜形成分子机理的研究,有效控制生物膜的生长及其结构稳定，在生物生态修复领域得到广泛应用，并且在生物医学、牙医、食品等领域的生物膜抑制方面取得较大程度的应用。鉴于生物膜的形成是一把双刃剑，如何有效的利用或控制仍将是未来多学科关注的重点，各学科在生物膜研究方面的联系有待加强。此外，目前有关生物膜的研究多数关注纯培养微生物，有关自然环境、人工系统中的混合菌群生物膜研究有待开展，以提高该技术的实际应用性。

作者：张永帅 孙俊良 梁新红 李元召 单位：河南科技学院食品学院

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