核心提示：对于从事细菌相关研究的人来说，群体感应(Quorum sensing，QS)信号系统想必并不陌生。QS系统控制多种生物行为，包括毒力、竞争、共生、抗生素产生、产孢、运动性和生物膜形成等。
对于从事细菌相关研究的人来说，群体感应(Quorum sensing，QS)信号系统想必并不陌生。QS系统控制多种生物行为，包括毒力、竞争、共生、抗生素产生、产孢、运动性和生物膜形成等。其中，来自美国普林斯顿大学的Bonnie L. Bassler教授在QS系统的机制研究上做出了重要贡献。本次分享的研究来自Bassler团队与2022年9月26号在线发表在国际顶级期刊《Cell》上的一项工作。
Figure 1. Simplified scheme for V. cholerae QS regulation of t6ss and vps genes
群体感应细菌产生并释放一种叫做自诱导剂(autoinducers，AIs)的化学信号分子，AIs的浓度随着细胞密度的增加而增加。在之前的研究中，Bassler团队关于QS的其中一个重要发现是：在霍乱弧菌中，两条平行的QS通路将Ais信号分子包含的信息汇集到名为LuxO的中枢转录因子上。在低细胞密度(LCD)下，没有AIs时，AI受体作为激酶将磷酸盐转运到LuxO，LuxO~P激活编码四种被称为Qrr1-4的sRNA基因的转录，Qrr1-4抑制HapR的翻译。而在高细胞密度(HCD)下，当AIs积累时，受体起磷酸酶的作用，LuxO脱磷且不被激活。Qrr sRNAs的产生停止，HapR翻译促进了特定群体行为的QS控制基因的表达[1]。
多个研究团队都发现这样一个奇怪的现象，霍乱弧菌分离株的QS系统具有高频率的突变，但是驱动其突变发生的机制不清楚。在此项研究中，Bassler团队揭示了霍乱弧菌VI型分泌系统(T6SS)是QS突变株的出现的重要原因。
Figure Contraction of the Type VI Secretion System (T6SS) Results in the Translocation of Effector Proteins [1]
VI型分泌系统(T6SS)(上图)可以看做“枪膛”，能够装载有毒的效应蛋白(“子弹”)，从而攻击和消除竞争者。而Bassler团队通过这项研究中揭示了T6SS系统一个意想不到的作用-除了可以向非亲缘细胞输送毒素外，还可用于消灭兄弟细胞(sibling cells)，解释了QS突变株产生的现象。那么这个过程是怎么发生的呢?
由基因相同的个体组成的菌落具有多样性，会产生具有不同基因型的突变体。突变的产生形式表现为细菌的分化(sectors)，即细菌随着时间在不同区域产生突变体。Bassler团队的这项研究发现，在霍乱弧菌菌落中，T6SS驱动细胞的“时空”死亡(spatiotemporal cell death)。
Figure 2 A model for cell death and sectoring in V. cholerae 2740-80 colonies
T6SS介导的细胞死亡以两阶段的时空方式发生，每个阶段都由特定的T6SS毒素驱动。第一阶段沿着菌落外围发生，受QS调节，需要效应蛋白(effector)VgrG3和VasX参与，并且QS、t6ss和vps基因在细胞死亡过程中的表达存在区域差异。接着，沿着菌落边缘出现分化，即第一阶段细胞高度死亡的区域(~18 h)，这部分的细胞死亡率低，分化没有发生在低细胞密度QS模式和没有经历第一阶段细胞死亡的细胞中，因此第一阶段细胞死亡是分化发生的关键。第二阶段不需要T6SS注射装置(T6SS machine)，但需要效应蛋白TseL，细胞死亡从最初的环向内和向外扩散(~42 h)。
Figure 3. Cell death patterns for V. cholerae 2740-80 strains
T6SS可以消除兄弟细胞表明了其在种内拮抗中的作用。T6SS驱动的细胞死亡为能够逃避T6SS杀伤的突变株的出现施加了选择性压力。Bassler团队提出，群体感应控制T6SS驱动细胞死亡的机制解释了自然环境和疾病发生期间霍乱弧菌遗传多样性的现象。但同时，他们也认为在单细胞水平上评估基因表达模式和QS、Vps和T6SS的产生和活性，达到量化基因表达和细胞死亡模式有利于更进一步解析其机制。
通讯作者：Bonnie L. Bassler
图源：https://molbio.princeton.edu/people/bonnie-l-bassler
参考文献：
[1] Joshi A, Kostiuk B, Rogers A, Teschler J, Pukatzki S, Yildiz FH. Rules of Engagement: The Type VI Secretion System in Vibrio cholerae. Trends Microbiol. 2017;25(4):267-279. doi:10.1016/j.tim.2016.12.003
原文：Mashruwala AA, Qin B, Bassler BL. Quorum-sensing- and type VI secretion-mediated spatiotemporal cell death drives genetic diversity in Vibrio cholerae [published online ahead of print, 2022 Sep 15]. Cell. 2022;S0092-8674(22)01125-4. doi:10.1016/j.cell.2022.09.003
