全球人口不斷增加，或現(xiàn)糧食危機(jī)之聲不絕于耳，除了氣候變化、農(nóng)地減少，世界糧食安全亦受細(xì)菌性植物病害所威脅。由香港城市大學(xué)（香港城大）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，早前已經(jīng)找出令一種病原菌致病的關(guān)鍵蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子，近日再下一城，揭示出該病原菌的毒力調(diào)節(jié)機(jī)制，有助開發(fā)用以防治的抗菌新藥，并促進(jìn)日后有關(guān)該病原菌和其他病原菌轉(zhuǎn)錄因子的研究。

研究團(tuán)隊(duì)由香港城大生物醫(yī)學(xué)系（BMS）的副教授鄧新博士與助理教授嚴(yán)健博士共同領(lǐng)導(dǎo)。研究成果已于科學(xué)期刊《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表，題為〈A compendium of DNA-binding specificities of transcription factors in Pseudomonas syringae〉。

植物病害威脅糧食安全

 

丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）是常見的革蘭氏陰性植物病原菌，是一種廣泛存在于土壤、大氣、植物葉面等自然環(huán)境的微生物群體。它們可以感染多達(dá)50多種農(nóng)作物，包括人類的主要食糧稻米和大豆，還有蕃茄和豌豆等。鄧博士說：“丁香假單胞菌是全球公認(rèn)最重要的植物細(xì)菌性病原菌，會(huì)令農(nóng)作物失收，威脅世界的糧食供應(yīng)。每年全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因?yàn)樗鼈兊那忠u而蒙受大額經(jīng)濟(jì)損失，但現(xiàn)時(shí)對(duì)抗方法僅寥寥可數(shù)。”

要研發(fā)出更有效的新藥，科學(xué)家首先要掌握丁香假單胞菌致病的分子機(jī)制，鄧博士的研究團(tuán)隊(duì)亦努力朝此方向鉆研，早前他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一系列控制丁香假單胞菌致病能力、與毒力相關(guān)（virulence-related）的轉(zhuǎn)錄因子（transcription factors）。轉(zhuǎn)錄因子是通過與特定DNA序列結(jié)合來調(diào)控基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，可以“啟動(dòng)”或者“關(guān)上”特定的基因，使基因在某時(shí)段內(nèi)發(fā)揮特定的功能。

鄧博士進(jìn)一步解釋說：“盡管當(dāng)時(shí)我們已經(jīng)找出轉(zhuǎn)錄因子，但仍然未掌握到相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及整體毒性調(diào)控和致病機(jī)制，例如尚未知道每個(gè)轉(zhuǎn)錄因子會(huì)與哪組特定的DNA序列結(jié)合，才令丁香假單胞菌致病，因此難以全面防治該類病害的大規(guī)模爆發(fā)?！?/p>

剖析毒性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

 

為了解析毒性轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，團(tuán)隊(duì)于丁香假單胞菌全數(shù)的301個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，均運(yùn)用了高通量指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（High-Throughput Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment, HT-SELEX）作分析研究。HT-SELEX由嚴(yán)博士所建立，是一種作高通量定量分析DNA與蛋白質(zhì)之間相互作用的技術(shù)。

團(tuán)隊(duì)分析結(jié)果，成功發(fā)現(xiàn)其中100個(gè)轉(zhuǎn)錄因子有特異的結(jié)合序列（binding motifs），這些轉(zhuǎn)錄因子會(huì)與特定的DNA序列結(jié)合。鄧博士說：“有趣的是，原來大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合序列都不同，于是我們根據(jù)結(jié)合序列的相似程度，將這100個(gè)轉(zhuǎn)錄因子歸類為69個(gè)不同的家族（family）?！?/p>

另外，他們預(yù)測(cè)出這100個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的全基因組結(jié)合位點(diǎn)（即在植物體內(nèi)的結(jié)合位點(diǎn), binding sites），并找到這些轉(zhuǎn)錄因子的下游靶基因（downstream target genes, 這些基因的轉(zhuǎn)錄由轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控），從而構(gòu)建出丁香假單胞菌的轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。他們?cè)谶^程中更發(fā)現(xiàn)了多個(gè)之前未知的毒性調(diào)控蛋白。

為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)錄因子在致病機(jī)理有何角色，團(tuán)隊(duì)探究與毒性通路相關(guān)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，成功鑒定出25個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子（master regulators）：即是與毒性相關(guān)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，其中有14個(gè)是首次被發(fā)現(xiàn)。關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子能夠控制其他轉(zhuǎn)錄因子和相關(guān)基因的大部分調(diào)控活動(dòng)，只要抑制或者阻截這些關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，便能控制病菌的毒力，因此正是研發(fā)新抗生素過程中的抗生素靶標(biāo)。

 

鄧博士說：“這次研究成果讓我們進(jìn)一步了解到丁香假單胞菌的致病機(jī)理，為開發(fā)防治該病原菌危害農(nóng)作物的藥物提供了新靶點(diǎn)，更為今后研究該病原菌和其他病原菌的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控機(jī)制，提供了重要信息?！?/p>

鄧博士和嚴(yán)博士均為論文的通訊作者。論文第一作者是同樣來自香港城大BMS學(xué)系的汪婷婷博士與博士生華燦楓，以及中國(guó)西北大學(xué)的樊立剛博士和孫文舉博士。來自香港城大的研究團(tuán)隊(duì)成員還包括博士后學(xué)者邵小龍博士、研究助理Lucas Grunwald及博士生劉金貴。研究團(tuán)隊(duì)其他成員則來自上海市第四人民醫(yī)院。

 

 

 

這項(xiàng)研究獲得香港城大、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、香港研究資助局、中國(guó)博士后科學(xué)基金和創(chuàng)新科技署的創(chuàng)新及科技基金等的資助進(jìn)行。

DOI number: 10.1038/s41467-020-18744-7

本文已于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號(hào)發(fā)布。
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