铜绿假单胞菌PFL-P1中核苷酸第二信使c-di-GMP与群体感应协同调控功能性淀粉样纤维生成及生物膜应激响应的网络机制

《Research in Microbiology》：Regulatory network of nucleotide second messenger in Pseudomonas aeruginosa PFL-P1 and intercellular signaling molecules for functional amyloid fibrillation in biofilm and stress response

本综述深入探讨了海洋细菌铜绿假单胞菌PFL-P1中，环二鸟苷酸(c-di-GMP)与群体感应(QS)信号的交互网络如何协同调控功能性淀粉样蛋白(Fap)的纤维化组装。研究揭示了c-di-GMP不仅作为信号分子，更可作为分子伴侣直接结合FapC(-11.8 kcal/mol)，从而在应激条件(pH、温度、盐度、芘)下精细调控生物膜稳定性、代谢活性及多环芳烃(PAH)降解，为靶向生物膜相关感染及生物修复提供了新视角。

　　

Highlight

FapC与c-di-GMP的相互作用

分子对接分析表明，淀粉样蛋白FapC与c-di-GMP之间存在强烈的相互作用。模拟结果显示，c-di-GMP结合在预测的FapC结构的未折叠区域内（图1a），主要通过与传统氢键形成与关键氨基酸结合（图1b）。氨基酸残基Asp 226、Trp 228、Gln 231和Gly 273被确定为维持c-di-GMP结合过程稳定性的关键残基（图1c, d）。计算出的结合自由能为-11.8 kcal/mol，表明两者之间存在高亲和力的自发结合。这些发现揭示了c-di-GMP在功能性淀粉样纤维生成中可能扮演的分子伴侣角色，超越了其传统的第二信使功能。

讨论

c-di-GMP与FapC淀粉样纤维之间的相互作用，在调控假单胞菌生物膜形成和成熟过程中建立了一个关键的连接。FapC作为生物膜胞外基质中功能性淀粉样蛋白的主要结构蛋白，通过形成高度有序的疏水纤维网络，在增强生物膜稳定性方面起着核心作用。这些纤维有助于生物膜抵抗环境压力和抗菌剂。我们的研究结果表明，c-di-GMP与FapC的高结合亲和力表明其在淀粉样蛋白组装中具有双重作用：既是调节基因表达的信号分子，又是直接参与纤维组装的分子伴侣。在酸性pH和高温等压力条件下，c-di-GMP水平的升高与fapC表达上调相吻合，这强调了该信号系统在压力适应中的核心作用。相反，高盐度（≥5%）通过渗透压抑制了基因表达，突出了环境条件在调节这一信号网络中的重要性。芘暴露后，nahAc（PAH降解）与lasI、rhlI（QS）和dgc86（c-di-GMP合成）的协同上调，揭示了生物膜介导的污染物降解过程中信号整合的复杂机制。外源性AHLs（C4-HSL, 3OC12-HSL）的补充进一步增强了这些基因的表达，证实了QS在协调应激反应中的核心地位。而Terrein（一种QS和c-di-GMP双重抑制剂）对生物膜形成和PAH降解的破坏，凸显了靶向这一交叉对话网络的治疗潜力。总之，c-di-GMP与Fap淀粉样纤维的协同作用，为理解生物膜的稳健性及其在生物技术中的应用提供了一个统一的框架。

结论

本研究揭示了海洋铜绿假单胞菌PFL-P1中核苷酸第二信使c-di-GMP与QS信号之间独特的调控相互作用，证明了这些网络如何协同控制功能性淀粉样纤维生成、应激适应和芘降解。c-di-GMP与FapC淀粉样蛋白之间的强相互作用，凸显了淀粉样发生过程在稳定生物膜基质中的重要性，这为多环芳烃降解提供了一个受保护且代谢活跃的微环境。研究结果强调了靶向c-di-GMP-QS-淀粉样蛋白轴在控制生物膜相关环境和健康应用方面的潜力。