科研星球

Science | 相分离能力帮助肠道菌群提高适应性

肠道菌群的治疗和操纵能极大程度地影响人体健康,细菌在人体内各显神通从而定植在肠道之中。多形拟杆菌Bacteroides thetaiotaomicron是人类肠道中最富集菌种之一,与人体的偏瘦体型、身体健康相关,也是临床上治疗胃肠道疾病的手段之一。因此,研究多形拟杆菌是如何定植在人类肠道之中成为了重要的研究课题。


美国耶鲁大学Eduardo A. Groisman研究组在Science发文题为Bacteria require phase separation for fitness in the mammalian gut发现多形拟杆菌在小鼠肠道中的适应性依赖于转录终止因子Rho的相分离能力。

0.png

相分离指的是蛋白质-蛋白质或者蛋白质-RNA之间的依靠弱相互作用形成生物聚集体,这些聚集体形成非膜包被的组分调节RNA。在细菌中相分离参与多个过程的调节,比如通过形成降解小体(RNA degradosome condensates)降解mRNA以及RNA聚合酶RNAP相分离调节大肠杆菌生长等【2-3】

Rho是ATP依赖的RNA解旋酶,对于革兰氏阴性菌非常关键。Rho通过终止转录控制基因表达,同时在物种之间是高度保守的,但是与此同时Rho在不同物种中具有一些不同的额外结构域调节与RNA的相互作用。目前关于Rho额外的结构域的生理功能还不得而知。

多形拟杆菌的Rho长度为722个氨基酸,在N末端具有一个303个氨基酸的非定义的结构域,这一结构域在大肠杆菌中并不存在(图1)。通过结构生物学方面的预测,作者们发现该结构域是内在无序序列IDR。为了鉴定多形拟杆菌中IDR序列的功能,作者们构建了rho删除型多形拟杆菌,随后再分别表达野生型rho以及 IDR。IDR多形拟杆菌在体外的生长速度较野生型更快,但是当移植进入小鼠体内后,IDR多形拟杆菌超过95%不能定植在肠道(图1)。因此,Rho IDR结构域对于多形拟杆菌的适应性非常关键。

0 (1).png
图1 Rho的IDR帮助提高多形拟杆菌在小鼠中的适应性

进一步地,作者们想知道Rho IDR是如何帮助多形拟杆菌在肠道定植的。为此,作者们检测了Rho在体外的相分离能力。作者们发现野生型Rho在浓度超过1μM、生理盐浓度情况下能够形成相分离液滴,而IDR删除后Rho则不能形成液滴。另外,单独纯化IDR结构域能够形成液滴,但是需要在RNA存在的条件下。作者们通过1,6-己二醇处理、荧光漂白恢复实验等证明了Rho液滴流动性。

那么Rho的IDR结构域的相分离活性是如何影响Rho功能的呢?作者们IDR依赖的相分离活性会控制Rho调节特定RNA的转录终止。为了进一步理解Rho相分离活性对于多形拟杆菌基因表达的影响,作者们对比了野生型以及 IDR多形拟杆菌中的mRNA差异,发现与代谢相关的多种基因表达发生了变化,比如氨基酸与小分子生物合、tRNA加工、蛋白质翻译与折叠等基因的表达均出现了明显的降低。

0 (2).png

总的来说,作者们工作发现了多形拟杆菌中通过Rho的IDR结构域的相分离活性增加在肠道的适应性,从而能够更好的定植在肠道之中。这一发现丰富了相分离在肠道菌群适应性中的调节作用。

原文链接:
http://doi.org/10.1126/science.abn7229


1. J. Durack, S. V. Lynch, The gut microbiome: Relationships with disease and opportunities for therapy. J. Exp. Med. 216, 20–40 (2018). doi: 10.1084/jem.20180448; pmid: 30322864

2. N. Al-Husini, D. T. Tomares, O. Bitar, W. S. Childers, J. M. Schrader, a-Proteobacterial RNA Degradosomes Assemble Liquid-Liquid Phase-Separated RNP Bodies. Mol. Cell 71, 1027–1039.e14 (2018). doi: 10.1016/j.molcel.2018.08.003;pmid: 30197298
3. A. M. Ladouceur et al., Clusters of bacterial RNA polymerase are biomolecular condensates that assemble through liquidliquid phase separation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 18540–18549 (2020). doi: 10.1073/pnas.2005019117;pmid: 32675239


没有账号?