综述：II型和VII型毒素-抗毒素系统：概述及其在细菌生物膜形成中的作用

《Microbial Pathogenesis》：Type II and type VII Toxin-antitoxin systems: an overview and their roles in bacterial biofilm development

TA系统通过调控翻译和mRNA稳定性影响细菌生长及生物膜形成，类型II（如MazEF、VapBC）和类型VII（如Hha-TomB）在生物膜各阶段（附着、成熟、分散）中起关键作用，涉及毒素-抗毒素互作、翻译抑制及蛋白质修饰机制，并影响耐药性和持久菌形成。

　　

沈玉洁|康莉|徐爱玲|涂广民|吴书燕

基础医学科学学院，教育部老年疾病与免疫学重点实验室，苏州病原生物科学与抗感染医学重点实验室，苏州大学苏州医学院，江苏省215123，中国

摘要

毒素-抗毒素（TA）系统是独特的遗传模块，通常由相邻的毒素基因和抗毒素基因组成，在多种细菌物种中广泛存在。这些遗传元件在塑造细菌生理特性和致病性方面起着关键作用，特别是在调节生长动态、介导应激反应以及调控细菌持久性和生物膜形成方面。目前TA系统被分为八种类型，其中II型和VII型作为细菌生存的关键模块受到了大量研究关注。本综述系统地分析了典型的II型和VII型TA系统对细菌生物膜形成起始、成熟和扩散阶段的多方面影响，并全面揭示了其背后的分子机制。

引言

毒素-抗毒素（TA）系统是普遍存在于细菌染色体和质粒中的遗传模块，由稳定的毒素和不稳定的抗毒素组成。最初这些系统被描述为通过分离后杀伤（PSK）维持稳定性的质粒“依赖模块”¹。此外，TA系统现在被认为是细菌应激适应、持久性和生物膜动态的关键调节因子。根据毒素-抗毒素的相互作用机制，已将其分为八种类型²。在II型系统中，毒素和抗毒素都是蛋白质，抗毒素通过与毒素的结构域结合来中和它们。在八种TA系统中，II型是最常见且研究最广泛的类别。II型毒素通常具有核酸内切酶活性，能够降解mRNA或抑制核糖体功能³。II型抗毒素通常由两个结构域组成：一个是DNA结合结构域，可用于自我调节；另一个是毒素结合结构域，用于结合毒素以中和其活性⁴。抗毒素容易发生部分折叠，使其容易受到宿主蛋白酶Lon或Clp的降解。抗毒素的降解会释放出更稳定的毒素⁴。为了防止过多毒素破坏细胞稳态，抗毒素的产量通常高于毒素。因此，在大多数II型TA系统中，抗毒素基因位于毒素基因之前，确保抗毒素的合成先于毒素的产生。

最常见的II型TA系统包括VapBC、MazEF、RelBE、HigBA和MqsRA等。大多数II型毒素具有核糖核酸内切酶活性，这种性质可以抑制翻译过程。一些II型毒素（如MazF和MqsR毒素）作为全局调节因子，能够以序列特异性方式识别并切割游离mRNA，导致翻译暂停和细胞休眠。相比之下，MazE抗毒素会包裹在MazF毒素表面，迫使毒素解离核糖体的S1-S2环<5, 6>。RelE毒素等毒素则针对核糖体相关的mRNA进行切割，而由大肠杆菌编码的II型RelB抗毒素通过改变位于第87位的碳端酪氨酸残基上的柔性α螺旋来破坏毒素结构<7, 8, 9>。显然，某些II型毒素能够干扰翻译过程。弗莱克斯纳志贺菌和鼠伤寒沙门菌的VapC毒素已被证明能够切割起始tRNA。结核分枝杆菌的VapB5抗毒素通过改变Arg112侧链的构象来抑制VapC5的活性，使Glu57残基无法与Mg²⁺（VapC5激活所需的辅因子）结合<10, 11, 12>。结核分枝杆菌中的II型HipA毒素是一种激酶，通过磷酸化谷氨酰-tRNA合成酶来抑制翻译。抗毒素HipB是一种具有螺旋-转角-螺旋（HTH）结构的转录因子，它可以结合hipBA启动子或与HipA形成复合物，从而抑制转录并中和HipA的毒性<13>。某些II型毒素（如CcdB和ParE）通过直接抑制DNA旋转酶的活性来影响DNA复制，从而显著减缓复制叉的形成过程<14>。

VII型TA系统是一类新的系统，其特征是具有蛋白质毒素和酶促抗毒素，后者通过翻译后修饰（PTMs）使毒素失活。这一机制使它们与其他TA类型区分开来。典型的VII型TA系统包括Hha-TomB系统、HepT-MntA系统和TglT-TglA系统，这些系统在应激条件下被激活并执行重要的生理功能<15>。大肠杆菌中的抗毒素TomB能够氧化修饰Hha毒素中的保守第18位半胱氨酸残基，从而对抗毒素蛋白产生拮抗作用<16>。然而，鼠伤寒沙门菌中Hha-TomB系统的确切分类仍存在争议，现有文献对其分类意见不一。HEPN和MntA结构域最早于2015年在海洋细菌中被发现。MntA抗毒素具有核苷酸转移酶活性，能够将三个连续的AMP转移到毒素蛋白HepT的酪氨酸位点，这种多聚腺苷酸化修饰对于中和毒素毒性至关重要<17, 18>。TglT-TglA最初在结核分枝杆菌中被发现，后来被归类为VII型TA系统。在这种情况下，抗毒素表现为一种非典型的丝氨酸蛋白激酶，能够磷酸化毒素蛋白的丝氨酸位点，使其失活。图1展示了II型和VII型TA系统的示意图（https://app.biorender.com/account/admin）。

生物膜的形成是一个多阶段过程，包括初始附着、微群体聚集、胞外聚合物物质（EPS）的形成、生物膜的成熟和扩散¹⁹。上述EPS包含蛋白质、多糖、脂质和胞外DNA（eDNA），在长期营养匮乏的情况下为细菌提供营养来源。据估计，80%的慢性难治性感染与生物膜形成有关²⁰。生物膜的致密结构使得细菌对抗生素的通透性降低，从而产生多重耐药性，逃避宿主免疫系统的攻击，并允许细菌发展成持久性感染^{21>。已证实纤维素是大肠杆菌、沙门菌和结核分枝杆菌生物膜中的EPS成分。此外，同时使用纤维素酶和蛋白酶可以抑制结核分枝杆菌的生物膜形成<22, 23>。此外，DNA降解也是铜绿假单胞菌生物膜分解的关键因素24。总之，生物膜结构的形成依赖于纤维素、蛋白质和DNA。}

部分内容

TA系统对生物膜相关表型的调控

多种TA系统，包括II型TA系统MazEF、VapBC、MqsRA、HipBA以及研究较为深入的大肠杆菌中的VII型Hha-TomB系统，都能调控生物膜的形成。大量研究表明，II型TA系统通过调节持久性细菌的形成间接影响生物膜的形成，这种现象也存在于某些VII型TA系统中²⁵。持久性细菌是指细菌群体中占极小比例的细胞。

观点与结论

图1和图2共同表明，II型和VII型毒素-抗毒素（TA）系统更应被视为连接应激反应、生物膜发育和致病性的额外调控层，而不是生物膜生物学的通用“主开关”。以MazEF、VapBC、RelBE、HipBA、MqsRA及相关系统为代表的II型模块主要在翻译水平和mRNA稳定性层面发挥作用，从而调节细菌生长停滞和持久性细菌的形成

CRediT作者贡献声明

康莉：概念构思、初稿撰写。吴书燕：审稿与编辑、研究、概念构思。徐爱玲：数据整理。沈玉洁：审稿与编辑、可视化。涂广民：数据整理

伦理批准

不适用。

序列信息

不适用。

利益冲突声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

数据可用性

本文研究未使用任何数据。

资助信息

本工作得到了国家自然科学基金（编号：32270187）、江苏省高等教育机构优先学术发展计划（PAPD）以及教育部老年疾病与免疫学重点实验室项目（编号：JYN202505）的资助。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。