丙酸盐和丙酰辅酶A是细菌代谢中的常见副产物，在哺乳动物的胃肠道中大量产生，但它们的过度积累对细胞具有毒性[1]。2-甲基柠檬酸循环 (2-methylcitrate cycle，2-MCC)是广泛分布的碳代谢途径，可有效地将丙酸和丙酰辅酶A转化为琥珀酸和丙酮酸，在维持菌内代谢平衡方面发挥着至关重要的作用[2]。但是，目前关于铜绿假单胞菌2-MCC的代谢途径以及与毒力是否相关尚不清楚。

GntR家族调控蛋白是细菌中分布广泛的一类重要的转录调控蛋白，参与调控细菌多种生理过程[3, 4]。然而，该家族蛋白如何响应环境信号来调节病原菌毒力因子的表达以适应复杂多变的外界环境这一科学问题并没有被阐述。

2022年12月7 日，我院梁海华/刘建玲团队联合复旦大学甘建华团队在Science Advances杂志上在线发表了题为PmiR senses 2-methylisocitrate levels to regulate bacterial virulence in Pseudomonas aeruginosa的研究论文，西北大学为第一作者单位。该研究揭示了GntR家族蛋白PmiR感知2-甲基异柠檬酸调节铜绿假单胞菌毒力的信号通路，有助于理解细菌感应环境信号与宿主反应之间的关系，为控制病原菌的感染提供了新思路。同时，为开发以PmiR作为生物传感器用于诊断2-MCC相关疾病奠定了一定的理论基础。

研究团队前期对GntR家族43个转录调控因子进行了基因敲除，发现pmiR基因缺失后绿脓菌素水平和运动能力相对于野生型菌株PAO1显著增强。RNA-seq结果表明PmiR调控了参与2-MCC代谢途径的三个关键酶基因prpB、prpC 和 prpD及pqs群体感应系统的表达。EMSA和ITC等实验表明PmiR能结合代谢中间产物2-甲基异柠檬酸。PmiR介导了2-甲基异柠檬酸对铜绿假单胞毒力因子的调控。同时，作者解析了PmiR与2-甲基异柠檬酸复合物的晶体结构并确定了相互作用的关键氨基酸残基位点。体外和体内实验证明了这些关键氨基酸对2-甲基异柠檬酸通过PmiR调控致病因子表达至关重要。

为了进一步地揭示PmiR与致病性的关系，作者以小鼠肺部急性感染为模型来评估PmiR的致病能力。结果表明，PmiR通过调控pqs系统进而抑制铜绿假单胞菌对小鼠的致病能力。同时，pmiR突变菌株感染宿主后，通过激活STAT3/NF-κB信号途径加重了对宿主的炎症反应和细胞焦亡。

铜绿假单胞菌PmiR响应2-甲基异柠檬酸调控2-MCC代谢和致病性的模式图

总之，本研究系统解析了铜绿假单胞菌GntR 家族蛋白 PmiR 作为一种重要的代谢感受器调控细菌毒力的分子机制，为理解病原菌适应复杂环境这一重要科学问题提供了新的见解。

西北大学博士生崔国艳、复旦大学博士生张译兮、西北大学许雪杰博士和北达科他州立大学刘莹莹博士为本文的共同第一作者。西北大学刘建玲教授、复旦大学甘建华教授和南方科技大学梁海华教授为本文的共同通讯作者。

参考文献

[1] Dolan S K., Wijaya A., Geddis S M., et al. Loving the poison: the methylcitrate cycle and bacterial pathogenesis [J]. Microbiology, 2018, 164(3): 251-259.

[2] Rocco C J., Escalante-Semerena J C. In Salmonella enterica, 2-methylcitrate blocks gluconeogenesis [J]. J Bacteriol, 2010, 192(3): 771-778.

[3] Zheng C., Yu Z., Du C., et al. 2-Methylcitrate cycle: a well-regulated controller of Bacillus sporulation [J]. Environ Microbiol, 2020, 22(3): 1125-1140.

[4] Wang T., Qi Y., Wang Z., et al. Coordinated regulation of anthranilate metabolism and bacterial virulence by the GntR family regulator MpaR in Pseudomonas aeruginosa [J]. Mol Microbiol, 2020, 114(5): 857-869.

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DOI: 10.1126/sciadv.add4220