温度与生长相的相互作用塑造铜绿假单胞菌的转录景观

《Journal of Bacteriology》：The interplay between temperature and growth phase shapes the transcriptional landscape of Pseudomonas aeruginosa

本综述通过RNA测序，揭示了环境温度（25°C与37°C）和生长相（对数期与稳定期）如何相互作用，全局性地调控机会性病原体铜绿假单胞菌（PAO1）的转录组。研究不仅系统描绘了其温度调控和生长相调控网络，还深入解析了群体感应主调控因子LasR在不同温度下的调控模式，为理解该菌在环境与人体间适应性转变的分子机制提供了全面而深入的见解。

　　

引言： 铜绿假单胞菌是一种高度适应性的机会性病原体，能够在广泛的温度范围（4°C至42°C）内存活。尽管其最适生长温度为37°C，但它常见于水槽、医院表面等常温环境。从污染的环境表面转移到人体宿主，必然伴随着从环境温度到体温（37°C）的转变，但此前大多数研究仅在37°C下进行，且通常只关注单个生长相。本研究旨在填补这一空白，通过RNA测序（RNA-seq）系统探究温度与生长相对PAO1转录组的交互影响，并评估群体感应主调控系统LasRI在不同温度下的调控作用。

温度在全球范围内调控指数期和稳定期不同的基因表达

研究设计了配对培养实验：将PAO1在37°C和25°C下平行培养，分别在对数中期和稳定早期对同一细胞群体进行采样和RNA-seq分析。研究结果揭示了以下关键发现：

1. 1.
   对数期的温度调控：在对数期，温度（37°C相比25°C）显著改变了791个基因的表达（上调386个，下调405个），占注释基因组的13.84%。一个显著特征是，许多在37°C下上调的基因与厌氧生存和低氧环境响应密切相关。这包括整个反硝化作用相关的基因簇（nar、nir、nor、nos操纵子）、高氧亲和力的细胞色素c氧化酶操纵子（ccoNOQP-2）、精氨酸脱亚氨酶途径（arcDABC操纵子），以及钼辅因子合成基因 moeA1和 moaB1等。这些基因大部分受低氧转录调节因子Anr调控，表明在37°C生长时，细胞可能经历或预感到更低的氧可用性。相比之下，在25°C下，氨基酰-tRNA生物合成通路显著富集，提示细胞通过增加翻译元件来适应低温。在五个注释的推定冷休克蛋白基因中，仅capB在25°C的对数期被特异性诱导表达。
2. 2.
   稳定期的温度调控：在稳定期，温度显著影响了715个基因的表达（上调392个，下调323个），占基因组的12.48%。此时，在37°C下，吩嗪生物合成和群体感应通路显著富集；而在25°C下，多种氨基酸代谢和乙醛酸代谢通路被富集。
3. 3.
   温度调控与生长相的依赖性：研究发现，温度在对数期和稳定期调控的基因集合存在显著差异，大部分被温度调控的基因仅在一个生长相中受到影响，这表明温度的转录效应高度依赖于细胞的生长状态。主成分分析（PCA）进一步显示，相同生长相的样本（无论温度是25°C还是37°C）在转录组上更为相似，而不同生长相的样本则明显分离，表明生长相对于整体转录变异的影响比温度更强。

生长相在25°C和37°C下以相似的方式调控基因表达

比较稳定期与对数期的转录组发现：

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  在37°C下，有2,457个基因（占43.00%）受生长相显著调控。
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  在25°C下，有2,760个基因（占48.31%）受生长相显著调控。
  绝大多数基因的生长相调控模式在25°C和37°C下高度一致，表明从对数期到稳定期的转录重编程是一个相对稳健的过程，对温度变化不敏感。一个例外是glc操纵子，它仅在25°C下于稳定期被上调。

LasR调控通常不受温度变化影响，但存在例外

为了探究温度如何影响群体感应调控，研究比较了PAO1及其同基因ΔlasR突变株在25°C和37°C下稳定期的转录组。

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  在37°C下，ΔlasR中有778个基因表达发生显著改变。
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  在25°C下，有667个基因表达发生显著改变。
  总体上，LasR对其大多数靶基因（如lasA、lecB）的调控程度在37°C和25°C下是相似的。然而，也发现了一个由500多个基因组成的子集，其LasR调控对温度敏感。其中最引人注目的是，反硝化相关的nir、nor和nos操纵子仅在25°C下被LasR强烈负调控，而在37°C下则不受LasR影响。相反，siaABCD操纵子（与生物膜形成相关）仅在37°C下被LasR负调控。此外，先前已知的温度依赖性LasR调控的蛋白酶IV基因piv，在此次数据中也得到证实，其在25°C下受LasR的调控更强。

讨论：

这项研究为理解铜绿假单胞菌的多重环境适应性提供了全面的转录组学资源。主要结论包括：

1. 1.
   温度效应的生长相特异性：铜绿假单胞菌的“温度调节子”（thermoregulon）高度依赖于生长相。对数期在37°C下表现出强烈的“厌氧预适应”转录特征，这可能是由于较高代谢速率导致的氧消耗增加，以及氧溶解度随温度升高而降低共同作用的结果。这些上调的厌氧生存基因与在囊性纤维化患者肺部（低氧环境）中上调的基因有重叠，提示温度升高本身可能作为一种信号，预适应细菌以适应宿主体内的低氧微环境。
2. 2.
   生长相的主导作用：相较于温度，生长相是驱动铜绿假单胞菌全局转录变化的更强信号。许多关键的毒力因子和适应性行为的基因表达，更多地受生长相（细胞密度）调控，而对测试的温度变化相对不敏感，这支持了这些因子不仅是针对人体的毒力决定簇，也是细菌在多种环境中竞争和获取营养的普遍策略。
3. 3.
   LasR调控的温度依赖性调控：虽然LasR的调控网络整体上对温度变化具有鲁棒性，但针对特定基因子集（如反硝化基因簇）的调控确实存在显著的温度依赖性。这表明，在非标准温度（如25°C）下进行研究，对于全面揭示细菌调控网络的复杂性至关重要。
4. 4.
   缺乏统一的温度感应中枢：研究未发现温度调控基因启动子区存在共同的保守基序，暗示铜绿假单胞菌可能缺乏一个类似于全局温度感应转录因子的中心化机制，温度信号更可能是通过各个基因自身既有的调控网络（如通过Anr、LasR等）进行传递和整合。

总之，这项工作阐明了温度和生长相如何共同塑造铜绿假单胞菌的转录景观，深化了我们对这个多面性病原体在从环境到人体宿主转变过程中适应性机制的理解，并为后续研究特定基因的温度调控机制奠定了基础。