鲍曼不动杆菌从对数期向稳定期转换的转录组适应性研究：转运系统下调与代谢重编程

《Molecular Biology》：Transcriptomic Adaptations of Acinetobacter baumannii during the Transition from Log Phase to Stationary Phase with Downregulation of Transport Systems and Metabolic Shifts

本研究针对鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）在从对数期向稳定期/死亡期转换过程中应对生理应激的分子机制这一关键科学问题，通过RNA-seq技术开展了转录组分析。研究发现，在8小时接种后（HPI），共有907个基因出现差异表达，其中421个上调，486个下调。显著下调的基因功能集中于质子跨膜转运（如NADH-泛醌氧化还原酶和F0F1ATP合酶复合物亚基）、核糖体结构成分及多种毒力相关系统（如VI型分泌系统、csu菌毛操纵子、acinetobactin铁载体系统）。与此同时，三羧烷基酸盐利用（tcu）和丙二酸脱羧酶（mdc）操纵子等替代碳源利用途径显著上调。研究揭示了该病原菌通过下调能量消耗、抑制生物合成同时激活替代代谢以应对营养限制和氧化应激的适应性策略，为针对其代谢脆弱性开发新的治疗干预措施提供了见解。

　　

在医院的战场上，有一种名为鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）的“超级细菌”令人闻风丧胆。它不仅对多种抗生素表现出强劲的耐药性，更拥有令人咋舌的生存能力——能够耐受干燥、营养匮乏以及高浓度的抗菌药物，从而在医院环境乃至患者体内长期潜伏，引发高死亡率的感染。理解它是如何在恶劣环境中存活下来，是战胜它的关键。细菌的生长并非一成不变，它们会经历迟缓期、对数期、稳定期和死亡期。在对数期，细菌疯狂分裂；而进入稳定期，则意味着营养耗竭、废物积累，生存压力骤增。这期间的分子“生存策略”转换，尤其是基因表达的全景变化，对于揭示鲍曼不动杆菌的致病机理至关重要。然而，尽管对鲍曼不动杆菌及其他主要革兰氏阴性病原体的群体感应（一种细胞密度依赖性现象）与生长阶段的关系有所研究，但从全局基因表达视角深入剖析其生长阶段转换的研究仍相对有限，尤其是对于具有天然感受态（能自然摄取外源DNA）的临床分离株A. baumannii A118。此前的研究多采用微阵列技术，而新一代RNA测序（RNA-seq）技术能提供更精确、更全面的转录组图谱。为此，研究人员在《Molecular Biology》上发表了最新成果，利用RNA-seq技术深入描绘了A. baumannii A118从对数期（4 HPI）到稳定期/死亡期过渡阶段（8 HPI）的转录组适应性蓝图。

本研究主要运用了几项关键技术：首先，通过生长曲线分析确定细菌生长关键时间点（4 HPI为对数期峰值，8 HPI为稳定期末端并开始向死亡期过渡）。其次，核心实验技术为RNA-seq转录组分析，对两个时间点的细菌进行RNA提取、建库，并使用Illumina NovaSeq 6000平台进行测序。差异表达基因（DEGs）通过Kallisto进行伪比对定量，并利用DESeq2进行鉴定（阈值：调整后p值padj ≤ 0.05且 |log2FoldChange| ≥ 1）。再次，利用STRING数据库进行基因本体论（GO）富集分析，以识别显著变化的生物学过程、分子功能和细胞组分。最后，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）对4 HPI和8 HPI时间点细菌细胞内的铁（Fe）、镁（Mg）、锌（Zn）、铜（Cu）、钙（Ca）、钾（K）等离子浓度进行了定量分析，以验证转录组数据中离子转运相关基因表达变化的生理后果。所有分析均基于三组生物学重复。

显著转录组变化发生于4和8 HPI之间

主成分分析（PCA）和层次聚类分析均证实了生物学重复 within each condition 的良好一致性，并且4 HPI和8 HPI条件下的转录组 profiles 存在显著差异。分析共鉴定出907个差异表达基因（DEGs），其中在8 HPI时有421个基因显著上调，486个基因显著下调。

质子跨膜转运作为8 HPI下调的主要生物学过程GO术语

对下调基因的GO富集分析显示，在生物过程类别中，“质子跨膜转运”（GO:1902600）是基于信号值最富集的GO术语。更广泛的“转运”（GO:0006810）术语也同样显著富集。

针对质子跨膜转运这一线索，研究人员深入分析了两个关键复合物：NADH-泛醌氧化还原酶（NDH-1或复合物I）和F₀F₁ATP合酶。结果显示，NDH-1的14个亚基中有9个（NuoF, C/D, J, NuoG, NuoK, NuoE, NuoN, L, M）表达下调。F₀F₁ATP合酶的9个亚基中有8个（A, B, C, α, β, γ, δ, ε）表达下调。这表明在稳定期，细胞能量生产的关键环节活动减弱。

研究还发现，VI型分泌系统（T6SS）的13个核心基因中有11个表达下调。csu菌毛操纵子的全部6个基因均显著下调。IV型菌毛的24个基因中有5个表达下调。负责铁获取的acinetobactin铁载体基因簇的18个基因中有11个下调，其能量转导系统TonB-ExbB-ExbD中的tonB2和exbB3基因也出现下调。

8 HPI时翻译相关功能受到抑制

在分子功能类别中，“核糖体的结构成分”（GO:0003735）和“rRNA结合”（GO:0019843）是最富集的术语。在细胞组分类别中，“核糖体”（GO:0005840）也显著富集。55个核糖体基因中有31个在8 HPI下调，这共同表明了在稳定期蛋白质翻译活动在全球范围内被抑制。

重编程凸显了鲍曼不动杆菌的适应性策略

虽然上调基因的GO分析未显示显著富集术语，但手动审查发现一些高度上调的基因具有重要功能联系。最显著的是三羧烷基酸盐利用（tcu）操纵子和丙二酸脱羧酶（mdc）操纵子。tcuA（编码FAD依赖性三羧烷基酸盐脱氢酶）是上调最显著的基因（log2FoldChange = 7.66），其操纵子中的tcuB和tcuC也高度上调。mdc操纵子的全部9个基因（mdcA-H, L, M）均在8 HPI显著上调，其中mdcB的上调幅度最高（log2FoldChange = 6.98）。

8 HPI时几种离子在细菌细胞内的积累

鉴于转运系统的下调，研究人员通过ICP-MS测量了细胞内金属离子浓度。结果显示，在8 HPI时，Fe、Mg、Zn、Cu、Ca和K的细胞内浓度相较于4 HPI有升高趋势，尽管这种增加未达到统计学显著性。这可能是由于对数期（4 HPI）增强的转运活动导致了离子在细胞内的积累。

结论与讨论

本研究系统揭示了鲍曼不动杆菌A118在从对数期（4 HPI）向稳定期/死亡期过渡（8 HPI）过程中复杂的、生长阶段依赖性的转录组重编程。其核心适应性策略表现为广泛的“节能降耗”与“代谢转向”。

在“节能降耗”方面，细胞显著下调了与能量生产密切相关的质子跨膜转运系统（如NDH-1和F₀F₁ATP合酶），降低了基础代谢水平。同时，多种关键毒力因子和相关结构生物合成受阻，包括介导细菌间竞争和金属离子摄取的VI型分泌系统（T6SS）、参与生物被膜形成和黏附的csu菌毛和IV型菌毛，以及主要的铁获取系统——acinetobactin铁载体及其部分能量转导组件（TonB2, ExbB3）。核糖体基因的下调进一步印证了全球生物合成活性的减弱。这些变化共同描绘了一幅细菌在营养受限和压力环境下，主动降低能耗、减少非必需生理活动（如某些致病行为）以维持基本生存的图景。

在“代谢转向”方面，最突出的特征是三羧烷基酸盐利用（tcu）操纵子和丙二酸脱羧酶（mdc）操纵子的强烈上调。这表明当常规碳源耗尽时，细菌启动了替代碳源利用途径，以三羧烷基酸盐和丙二酸作为新的能量和碳骨架来源。此外，这些化合物作为潜在金属离子螯合剂的功能，以及ICP-MS观察到的细胞内离子浓度升高趋势（虽不显著），提示细菌在稳定期可能更侧重于离子的储存和再利用，而非主动获取，这或许部分解释了铁获取系统下调的原因。

总之，这项研究利用高精度的RNA-seq技术，详尽描绘了临床相关菌株A. baumannii A118在生长阶段转换关键节点的基因表达全景图，揭示了其通过精细调控能量代谢、毒力表达和营养物质利用来实现适应性生存的多层次策略。这些发现不仅深化了对鲍曼不动杆菌基础生物学的理解，更重要的是，指出了其在稳定期（类似宿主内持久感染状态）所依赖的特定代谢途径（如tcu和mdc），为开发针对此类“代谢弱点”的新型抗菌策略提供了潜在靶点。