附着-消解病原体中D-核酮糖利用途径的趋同进化机制解析

本研究揭示了肠出血性大肠杆菌(EHEC)和啮齿柠檬酸杆菌通过趋同进化分别形成独特的D-核酮糖利用途径。研究发现EHEC通过L-阿拉伯糖调控的Aau转运系统高效摄取D-核酮糖，并利用L-核酮糖激酶AraB实现代谢；而C. rodentium则依赖特异的Rbl系统。该发现阐明了病原体克服肠道定植抗性的新策略，为理解宿主-病原体互作提供了新视角。

　　

在复杂的肠道微环境中，病原体如何突破定植抗性(colonization resistance)实现宿主入侵，一直是微生物学研究的关键问题。肠出血性大肠杆菌(EHEC)和啮齿柠檬酸杆菌(Citrobacter rodentium)作为重要的附着-消解(attaching and effacing)病原体，其代谢适应性决定感染成败。传统研究多聚焦于典型毒力因子，而英国纽卡斯尔大学的研究团队另辟蹊径，发现这两种病原体通过趋同进化(convergent evolution)形成了独特的D-核酮糖(D-ribulose)利用机制，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究团队首先发现C. rodentium基因组中高度特异的ROD_24811-61基因簇（命名为Rbl），其编码的ABC转运体在感染期间表达量激增15倍。通过启动子报告系统证实该系统特异性响应D-核酮糖，且缺失实验显示RblABCD转运体和RblK激酶对D-核酮糖代谢缺一不可。令人惊讶的是，结构分析揭示EHEC的Aau转运体对D-核酮糖的亲和力(K_D=1.98μM)比对L-阿拉伯糖高200倍，但EHEC却无法直接利用D-核酮糖。深入机制研究表明，L-阿拉伯糖通过激活AraC转录因子诱导aau和araBAD表达，使Aau转运D-核酮糖后，由L-核酮糖激酶AraB"跨界"磷酸化代谢。这种"劫持"宿主代谢网络的策略，与C. rodentium特异的Rbl系统形成鲜明对比。

研究采用多组学技术联用：

1. 纳米差示扫描荧光法(nanoDSF)和等温滴定量热法(ITC)定量AauA结合特性
2. X射线晶体学解析AauA-D-核酮糖复合物结构(PDB ID: 9IIM)
3. 比较基因组学分析949株E. coli中rbl基因簇分布
4. 荧光报告系统监测启动子活性
5. 体外激酶实验验证AraB对D-核酮糖的催化活性

主要研究发现包括：
C. rodentium编码高度特异的D-核酮糖利用系统
通过转录组和基因敲除实验证实，Rbl系统包含特异性ABC转运体(ROD_24811-41)和D-核酮糖激酶(ROD_24851)，其表达严格依赖D-核酮糖代谢产物而非直接感应糖分子。

EHEC的Aau转运体对D-核酮糖具有超强亲和力
结构生物学显示AauA通过Trp43/His167等保守残基与D-核酮糖形成多重氢键，分子对接揭示L-阿拉伯糖结合模式显著不同。

双糖协同代谢的独特机制
EHEC需L-阿拉伯糖激活Aau表达，同时依赖AraB的"兼职"激酶活性实现D-核酮糖代谢，这种双信号调控使病原体能动态响应肠道营养变化。

基因组水平的趋异分布
生物信息学分析发现rbl基因簇在E. coli中完全缺失，而FGGY家族激酶在相关菌属中呈现三种进化分支，暗示D-核酮糖利用途径的多起源特性。

这项研究首次系统阐释了D-核酮糖作为"隐形"营养源在肠道感染中的关键作用。EHEC通过代谢网络"重组"（Aau-AraB轴）与C. rodentium的特异系统(Rbl)形成功能趋同，为理解病原体适应性进化提供了新范式。发现不仅揭示了ABC转运体作为"代谢毒力因子"的新角色，更为干预肠道定植过程提供了潜在靶点——针对D-核酮糖利用通路的抑制剂可能成为抗感染治疗的新策略。