Cell Biosci︱邓新团队揭示多种病原菌三型分泌系统蛋白翻译延伸速率的统一规律

撰文︱孙悦，邓新

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一
多种革兰氏阴性病原菌的III型分泌系统（Type III secretion system，T3SS）利用其针状机制将效应蛋白输送到宿主细胞，抑制宿主的免疫系统[1]。在营养环境改变的条件下，病原菌依靠其强大的T3SS将细菌表达的毒力蛋白注射到宿主细胞中，完成病原菌的侵害[2]。高度保守的T3SS对病原菌的生长和侵染至关重要。蛋白的翻译延伸速率（Translational Elongation Rate，ER）是决定蛋白表达和细菌生长速度的关键因素之一[3]。
本文中着重研究了四种具有T3SS的模式病原菌：1）丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）是世界范围内最主要的植物病原菌之一，因其侵害分布广泛，感染经济农作物多样（如：豆科、玉米、番茄，猕猴桃和烟草等），而引起各农业大国的高度重视[4]。2）铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）是一种机会病原菌，引起免疫低下人群的严重感染[5]。3）水稻白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae）是我国水稻三大病害之一，导致严重的农业危机[6]。4）青枯雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）感染引起的烟草青枯病，对世界范围内的烟草产业造成不可估量的经济损失[7]。在植物病原菌中，大部分T3SS效应蛋白由sigma因子HrpL直接调控[8]。近年来，邓新团队针对假单胞菌毒力调控进行了一系列研究，发现了多个重要的调控因子、信号通路和调控网络[9-13]。然而，T3SS相关蛋白在环境诱导条件下的翻译延伸情况目前仍不清楚。
近日，香港城市大学邓新课题组在Cell & Bioscience上发表了题为“Maintenance of tRNA and Elongation Factors Supports T3SS Proteins Translational Elongations in Pathogenic Bacteria during Nutrient Starvation”的研究。该研究基于荧光报告系统，构建了在营养贫瘠的条件下定量计算T3SS相关蛋白ER的方法，揭示了tRNA和影响因子Tu、Ts对T3SS蛋白ER的影响规律，并提出了不同培养条件下T3SS蛋白表达和ER变化的模型，为深入了解病原菌T3SS的分子机制提供新的理论依据。 

作者计算了这些病原菌在不同营养浓度和诱导时间条件下的ER。发现T3SS蛋白的ER与营养浓度和诱导时间呈负相关。翻译延伸的第一步是通过mRNA的密码子，进行同源tRNA的识别和调控[14]。为探究影响T3SS蛋白ER的限制因素，作者首先对T3SS蛋白mRNA转录的诱导动力学进行分析。实验表明，不同病原菌的mRNA在诱导条件下强烈表达。然而，mRNA的转录时间比第一个全蛋白翻译完成的时间要短得多。说明T3SS蛋白的合成开始时，mRNA的水平已经足够高。这表明mRNA的合成并不是T3SS蛋白ER的限制因素。接下来作者探究T3SS蛋白的ER是否与tRNA合成有关。结果表明，在诱导条件下，tRNA水平在40分钟后降低了约40%-90%，这与ER的时程变化趋势相一致。在其他病原菌中，tRNA水平在0-30或40分钟内显著增加，而在随后的20-30分钟内迅速下降，甚至降低至初始水平。这些结果表明，在培养后期，病原菌的tRNA水平与T3SS蛋白的ER呈相同的变化趋势。影响因子Tu和Ts（EF-Tu和Ts）在多态的延伸过程中起到重要作用[15]。接下来作者探究了EF-Tu和Ts对T3SS蛋白的ER影响，发现在四种病原菌中，EF-Tu和Ts的水平随诱导时间明显降低，最低下降至起始水平的10%。这一变化规律与T3SS蛋白ER的趋势一致。这表明EF-Tu和Ts在营养贫瘠的条件下对T3SS蛋白ER起到关键的限制作用。

图1 T3SS蛋白翻译延伸的具体模型图

（图源：SUN Y, et al., Cell Biosc, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望综上所述，该研究基于荧光报告系统，定量表征了多种病原菌T3SS蛋白在营养贫瘠条件下的ER。提出T3SS蛋白的ER与培养环境的营养浓度和诱导时间呈负相关。并探究在营养缺乏条件下影响ER变化的限制因素，表明tRNA、EF-Tu和Ts是T3SS蛋白ER的重要影响因子，对病原菌T3SS蛋白的表达起到关键作用（图1）。大多数T3SS蛋白只在营养缺乏即诱导条件下迅速表达，病原菌对环境信号的捕获与传导有待进一步探究。总之，该研究定量表征多种病原菌株重要的T3SS蛋白的翻译延伸规律，为该规律应用到更广泛的微生物群体提供了有力的理论依据。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s13578-022-00884-6

香港城市大学生物医学系的邓新教授为本文的通讯作者，该工作主要由邓新课题组博士研究生孙悦完成，博士后邵小龙、解英朋，博士研究生韩亮亮、黄佳黛、刘金贵，研究助理张颖超等参与部分工作。本研究得到了国家自然科学基金和香港大学教育资助委员会的支持。

通讯作者：邓新

（照片提供自：邓新实验室）

往期文章精选

优质科研培训课程推荐【1】R语言临床预测生物医学统计专题培训（10月15-16日，北京·中科院遗传与发育生物学研究所）

欢迎加入“岚翰生命科学”

参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Cunnac S, Lindeberg M, Collmer A. Pseudomonas syringae type III secretion system effectors: repertoires in search of functions. Current opinion in microbiology. 2009;12(1):53-60.

[2] Tang X, Xiao Y, Zhou J-M. Regulation of the type III secretion system in phytopathogenic bacteria. Molecular plant-microbe interactions. 2006;19(11):1159-66.

[3] Klumpp S, Scott M, Pedersen S, Hwa T. Molecular crowding limits translation and cell growth. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013;110(42):16754-9.

[4] González AJ, Landeras E, Mendoza MC. Pathovars of Pseudomonas syringae causing bacterial brown spot and halo blight in Phaseolus vulgaris L. are distinguishable by ribotyping. Applied and Environmental Microbiology. 2000;66(2):850-4.

[5] Vallis AJ, Yahr TL, Barbieri JT, Frank DW. Regulation of ExoS production and secretion by Pseudomonas aeruginosa in response to tissue culture conditions. Infection and immunity. 1999;67(2):914-20.

[6]Furutani A, Tsuge S, Oku T, Tsuno K, Inoue Y, Ochiai H, et al. Hpa1 secretion via type III secretion system in Xanthomonas oryzae pv. oryzae. Journal of general plant pathology. 2003;69(4):271-5.

[7] Aldon D, Brito B, Boucher C, Genin S. A bacterial sensor of plant cell contact controls the transcriptional induction of Ralstonia solanacearum pathogenicity genes. The EMBO journal. 2000;19(10):2304-14.

[8] Lam HN, Chakravarthy S, Wei H-L, BuiNguyen H, Stodghill PV, Collmer A, et al. Global analysis of the HrpL regulon in the plant pathogen Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 reveals new regulon members with diverse functions. PloS one. 2014;9(8):e106115.

[9] Deng X, Liang H, Chen K, He C, Lan L, Tang X. Molecular mechanisms of two-component system RhpRS regulating type III secretion system in Pseudomonas syringae. Nucleic acids research. 2014;42(18):11472-86.

[10] Chatterjee A, Cui Y, Yang H, Collmer A, Alfano JR, Chatterjee AK. GacA, the response regulator of a two-component system, acts as a master regulator in Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 by controlling regulatory RNA, transcriptional activators, and alternate sigma factors. Molecular plant-microbe interactions. 2003;16(12):1106-17.

[11] Fishman MR, Zhang J, Bronstein PA, Stodghill P, Filiatrault MJ. Ca2+-induced two-component system CvsSR regulates the type III secretion system and the extracytoplasmic function sigma factor AlgU in Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. Journal of bacteriology. 2018;200(5):e00538-17.

[12] Yan Q, Rogan CJ, Pang Y-Y, Davis EW, Anderson JC. Ancient co-option of an amino acid ABC transporter locus in Pseudomonas syringae for host signal-dependent virulence gene regulation. PLoS pathogens. 2020;16(7):e1008680.

[13] Shao X, Tan M, Xie Y, Yao C, Wang T, Huang H, et al. Integrated regulatory network in Pseudomonas syringae reveals dynamics of virulence. Cell Reports. 2021;34(13):108920.

[14] Richter JD, Coller J. Pausing on polyribosomes: make way for elongation in translational control. Cell. 2015;163(2):292-300.

[15] Hu X-P, Dourado H, Schubert P, Lercher MJ. The protein translation machinery is expressed for maximal efficiency in Escherichia coli. Nature communications. 2020;11(1):1-10.

本文完