革兰氏阴性沙门菌和革兰氏阳性李斯特菌的不同翻译图谱

　　全球转录组定量技术(如RNASeq，Global transcriptome quantification techniques)是研究沙门菌生理和发病机制调控的有力方法。这些研究表明，尽管原核转录和翻译之间存在密切联系，但转录水平往往与蛋白质丰度无关。关于细菌翻译控制的研究主要是基于革兰阴性大肠杆菌作为模式生物，并表明Shine - Dalgarno (SD)强度和最佳密码子使用以及其他因素的结合有助于高效翻译。尽管有这些重要的研究，其他革兰氏阴性菌的翻译控制差异很大，并且革兰氏阳性细菌在进化上甚至更遥远，它们的翻译控制知之甚少。

　　李斯特菌和沙门菌都经历了不同的进化路径。它们有不同的营养需求(已知营养限制的变化会影响大肠杆菌的翻译控制)，并且它们也表现出运动性和适应性范围的差异。因此，在这些关键致病物种中，翻译调控的一些差异可能与运动菌和非运动菌的区别有关，而不是革兰氏阳性或革兰氏阴性分类相关。致病菌的翻译控制是基因表达的基础，影响毒力和其他感染表型，鉴于大量与感染相关的人类死亡与细菌病原体有关，我们必须更好地了解细菌的转化调控。

　　为了研究沙门菌和李斯特菌的翻译控制，本研究利用核糖体分析(RiboSeq)，对核糖体保护的mRNA片段进行深度测序，直接捕获自然环境下的蛋白质合成。

　　多蛋白复合物中的组分通常被认为是在与其化学计量相匹配的水平上产生的，一种或多种组分的过量生产可能导致不正确的组装、错误折叠或聚集。与大肠杆菌类似，观察到沙门菌和李斯特菌的化学计量学和翻译效率之间存在正相关关系，这表明利用翻译控制作为比例蛋白质合成和F1Fo ATP酶复合物化学计量组装的机制是革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的共同特征。

　　图1. F1Fo ATP酶复合物亚基的化学计量

　　测定所有翻译的沙门菌和李斯特菌基因的密码子适应指数(codon adaptation index，CAI)和SD强度，并将CAI或SD强度评分与转录物丰度、蛋白质合成或翻译效率进行比较。与高效起始是蛋白质合成的限制因素一致，在沙门菌和李斯特菌中，SD强度与翻译效率的相关性强于转录物丰度或蛋白质合成，这在沙门菌的情况下尤为明显。与沙门菌相比，李斯特菌中CAI与翻译效率的相关性更强，但沙门菌的翻译起始调控更直接受到SD强度的影响。

　　图2. 沙门菌和李斯特菌比例蛋白合成的调控

　　沙门菌中最有效翻译基因的起始密码子上游和侧翼序列的保守性表明，与低效翻译基因相比，SD序列在-10至-8位置上优先选择一个腺苷，然后是两个串联的鸟苷核苷酸，有效翻译基因编码区第4、5、7和8个核苷酸上检测到腺苷的富集，这与在第2和第3个氨基酸位置上的天冬酰胺(AAU, AAC)或赖氨酸(AAA, AAG)残基的富集相对应。相比之下，有效翻译的李斯特菌基因在-3和-4位置偏爱腺苷，但与无效翻译的基因相比，SD序列只有微小差异。

　　图3. 调控沙门菌和李斯特菌基因翻译效率的序列特征

　　为了测试赖氨酸、精氨酸或天冬酰胺密码子在第2和第3密码子位置的存在是否影响翻译效率，在沙门菌和大肠杆菌中使用了荧光素酶(LuxAB)翻译报告试验，其中转录由四环素诱导的启动子控制。结果发现luxA编码区5 '端的两个赖氨酸密码子(AAA-AAA)显著增加了表达产物发光，而两个精氨酸(CGU-CGU)和两个天冬酰胺(AAU-AAU)密码子没有观察到这一点。

　　图4. 发光法测定LuxAB荧光素酶表达诱导时间

　　通过准确测定沙门菌和李斯特菌中所有表达mRNAs的翻译效率，发现促进高效翻译和毒力因子产生的多种调控机制，驱动毒力的多蛋白复合物组分的化学计量控制在mRNAs中是硬连接的，直接控制沙门菌的差异翻译，而李斯特菌并非如此。 在翻译效率与顺式调控能力相关性上，数据显示在沙门菌中第2和第3个密码子的作用，其中串联赖氨酸密码子(AAA-AAA)的存在增强了沙门菌和大肠杆菌的翻译。相反，大约20%的有效翻译李斯特菌基因在起始密码子上游7 nt处显示70 S足迹，这表明这些基因可能受到一种新的翻译起始机制的影响。研究结果表明，SD(Shine-Dalgarno)强度并不是所有细菌翻译效率的直接标志。李斯特菌进化出了与沙门菌和大肠杆菌不同的控制基因表达水平的额外机制。