Analysis of the Isoprenoid Biosynthesis Pathways in Listeria monocytogenes Reveals a Role for the Alternative 2-C-Methyl-D-Erythritol 4-Phosphate Pathway in Murine Infection
- 作者
- Maire Begley, Peter A. Bron, Sinead Heuston, Pat G. Casey, Nadine Englert, Jochen Wiesner, Hassan Jomaa, Cormac G. M. Gahan, Colin Hill
- 单位
- Alimentary Pharmacobiotic Centre, University College Cork; Department of Microbiology, University College Cork; Teagasc Dairy Products Research Centre, Moorepark, Fermoy County Cork; Institut für Klinische Chemie und Pathobiochemie, Justus-Liebig-Universität Giessen; School of Pharmacy, University College Cork
- 杂志
- Infection and Immunity（2008）
- DOI
- 10.1128/IAI.01376-07
- 所属领域
- 微生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
单核细胞增生李斯特菌同时拥有甲羟戊酸途径和MEP途径两条类异戊二烯生物合成途径，本研究旨在阐明两条途径的生理必要性以及MEP途径在宿主感染中的作用。
研究策略
结合生物信息学分析（GC含量、基因组相似性、系统发育）、基因敲除构建单/双途径突变体、异源表达恢复L. innocua的MEP途径、小鼠感染模型评估毒力、生物发光成像检测基因体内表达。
核心内容
该研究以单核细胞增生李斯特菌为对象，系统分析了其同时拥有的甲羟戊酸途径与MEP途径在生长和宿主感染中的功能分工。作者通过生物信息学分析发现，李斯特菌无毒株L. innocua在进化中丢失了MEP途径末端两个基因gcpE和lytB，但保留了前五个基因。基因敲除实验表明，双途径突变体（ΔhmgRΔgcpE）在无外源甲羟戊酸时仅能达到OD600约0.2，而添加1 mM甲羟戊酸可恢复生长，证明至少一条完整途径是生长所必需。小鼠感染模型中，MEP途径突变体（gcpE或lytB）在肝脏和脾脏的细菌载量比野生型低1-2个对数，而甲羟戊酸途径突变体（mvk）与野生型相当，双突变体则无法回收。生物发光成像进一步显示gcpE在感染小鼠肝脏中表达。此外，在L. innocua中异源表达枯草芽孢杆菌gcpE后，其低分子量提取物能在高达1:2,430,000稀释度下激活Vγ9Vδ2 T细胞。这些结果说明MEP途径在小鼠感染中发挥关键作用，可能通过产生HMB-PP参与毒力与免疫识别。
创新点
首次证明李斯特菌需要至少一条完整的类异戊二烯途径才能生长；发现MEP途径（而非甲羟戊酸途径）在小鼠感染中发挥关键作用；揭示L. innocua在进化中丢失gcpE和lytB基因；通过异源表达可在L. innocua中恢复MEP途径及Vγ9Vδ2 T细胞激活能力。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Listeria monocytogenes EGDe | MEP pathway | lmo1441 (gcpE) | GcpE (HMB-PP synthase) | 催化 | MEP途径倒数第二步酶；缺失导致毒力下降1-2个log。 |
| Listeria monocytogenes EGDe | MEP pathway | lmo1451 (lytB) | LytB (HMB-PP reductase) | 催化 | MEP途径最后一步酶；缺失导致毒力下降。 |
| Listeria monocytogenes EGDe | mevalonate pathway | lmo0825 (hmgR) | HmgR (HMG-CoA reductase) | 催化 | 甲羟戊酸途径酶；双突变体必需外源甲羟戊酸。 |
| Listeria monocytogenes EGDe | mevalonate pathway | lmo0010 (mvk) | Mvk (mevalonate kinase) | 催化 | 甲羟戊酸激酶；单突变体不影响毒力。 |
| Listeria innocua | MEP pathway | gcpE (来自Bacillus subtilis 168) | GcpE | 催化 | 异源表达恢复MEP途径并激活Vγ9Vδ2 T细胞。 |
| Listeria innocua | MEP pathway | lytB (来自Bacillus subtilis 168) | LytB | 催化 | 与gcpE共表达时降低HMB-PP积累。 |
关键发现
- L. innocua缺失MEP途径最后两个基因gcpE和lytB，保留前五个基因。异源表达gcpE的L. innocua(pNZ44-gcpE)低分子量提取物能在高达1:2,430,000稀释度下激活Vγ9Vδ2 T细胞
- 同时表达gcpE和lytB时活性在1:10,000和1:30,000稀释度可检测。双途径突变体EGDe ΔhmgRΔgcpE在没有外源甲羟戊酸时仅能达到OD600约0.2，添加1 mM甲羟戊酸可恢复生长
- 互补hmgR后无需甲羟戊酸可恢复生长。小鼠感染实验中，MEP途径突变体（gcpE和lytB）在肝脏和脾脏中的细菌载量比野生型低1-2个对数
- 甲羟戊酸途径突变体（mvk）与野生型相似。双突变体在肝脏和脾脏中未回收。体内生物发光成像显示gcpE（MEP途径）在感染小鼠肝脏中表达，而其他测试基因未检测到。在J774巨噬细胞中，单突变体和双突变体（饥饿处理后）的胞内生存与野生型相似。
研究结论
李斯特菌需要至少一条完整的类异戊二烯生物合成途径才能生长；MEP途径在小鼠感染中发挥重要作用，可能是毒力所必需；L. innocua丢失gcpE和lytB是进化适应的结果，通过异源表达可恢复MEP途径及γδ T细胞激活能力。