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为探究布鲁氏菌（Brucella abortus）在宿主细胞低镁离子（Mg2?）环境中的存活机制，研究人员通过 RNA-seq 分析其转录组，发现 262 个差异表达基因（DEGs），其中 HP3（BAB_RS26550）和 MgtC（BAB_RS26555）通过 ATP 水解维持代谢，HP3 还影响细菌抗阳离子多肽和生物膜形成。本研究为揭示布鲁氏菌胞内行为提供遗传层面新见解。
在细菌与宿主的博弈中，胞内致病菌如何突破宿主营造的恶劣微环境始终是生命科学领域的关键谜题。布鲁氏菌（Brucella abortus）作为一种兼性胞内革兰氏阴性致病菌，可在巨噬细胞等宿主细胞内长期存活并引发人畜共患的布鲁氏菌病，其核心致病特征在于对胞内胁迫环境的强大适应能力。宿主细胞为限制细菌增殖，会通过多种机制营造低镁离子（Mg2?）环境，而 Mg2?作为核糖体结构稳定、ATP 电荷中和及膜脂多糖（LPS）电荷平衡的关键离子，其缺乏对细菌代谢和存活构成严峻挑战。然而，布鲁氏菌如何在低 Mg2?胁迫下维持代谢稳态并实现胞内定植，相关遗传机制此前尚未明确。
为破解这一科学难题，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所、中国兽医药品监察所等国内研究机构的科研团队，针对布鲁氏菌在低 Mg2?环境中的适应机制展开系统研究。研究成果发表于《BMC Veterinary Research》，为深入理解布鲁氏菌的胞内生存策略提供了重要科学依据。
研究人员主要采用以下关键技术方法：
- 转录组测序（RNA-seq）：通过比较高 / 低 Mg2?条件下布鲁氏菌的基因表达谱，筛选差异表达基因（DEGs）并进行功能富集分析；
- 突变株构建与表型分析：利用自杀质粒介导的等位基因替换技术，构建 HP1、MgtA、HP2、HP3、MgtC 等单基因及多基因缺失突变株，并通过生长曲线测定验证基因功能；
- 胞内 ATP 浓度检测：使用 ATP 检测试剂盒定量分析突变株在低 Mg2?条件下的能量代谢变化；
- ** stress resistance assays**：评估突变株对氧化应激（H?O?）、阳离子多肽（多粘菌素 B）、酸性 pH 等胁迫条件的耐受性；
- 生物膜形成实验：通过结晶紫染色法测定突变株的生物膜形成能力；
- 细胞感染实验：利用 RAW264.7 巨噬细胞模型，分析突变株的黏附、侵袭及胞内生存能力。
研究结果
1. 低 Mg2?胁迫下布鲁氏菌的转录组特征
在低 Mg2?（10 μM MgCl?）条件下，布鲁氏菌共鉴定出 262 个 DEGs（fold-change >1.5 且 p<0.05），其中 123 个基因显著上调，139 个基因显著下调。GO 和 KEGG 富集分析显示，DEGs 主要参与代谢过程、能量代谢、信号转导及翻译等生物学通路，提示 Mg2?缺乏时细菌需通过广泛的代谢重编程维持生存。
2. 五个连续上调基因的功能验证
RNA-seq 结果显示，BAB_RS26535（HP1）、BAB_RS26540（MgtA）、BAB_RS26545（HP2）、BAB_RS26550（HP3）、BAB_RS26555（MgtC）五个连续基因在低 Mg2?条件下显著上调（FC 值 1.69-125.85）。通过构建五基因缺失突变株（S2308ΔHP1-MgtC）发现，该突变株在低 Mg2?条件下生长显著受阻，而回补株（S2308ΔHP1-MgtC (pBBR1MCS-HP1-mgtC)）可恢复野生型生长表型，表明这五个基因协同参与低 Mg2?适应。
3. HP3 和 MgtC 为低 Mg2?适应的核心基因
单基因缺失实验表明，HP3（编码假定蛋白）和 MgtC（MgtC/SapB 家族蛋白）缺失株（S2308ΔHP3、S2308ΔMgtC）在低 Mg2?条件下生长缓慢，而 HP1、MgtA、HP2 缺失株生长无显著变化。ATP 浓度检测显示，HP3 缺失导致低 Mg2?条件下胞内 ATP 水平显著升高，提示 HP3 可能通过调控 ATP 水解维持能量代谢平衡。
4. HP3 对细菌应激抗性和生物膜形成的影响
HP3 缺失株对阳离子多肽多粘菌素 B 的敏感性显著增加，生物膜形成能力下降约 50%，但对 H?O?、酸性 pH、Fe2?胁迫等无显著响应。进一步研究发现，HP3 蛋白含有跨膜结构域和信号肽，推测其作为膜蛋白参与 Mg2?信号感知或膜稳定性维持。
5. HP3 对布鲁氏菌毒力无显著影响
细胞感染实验显示，HP3 缺失株在 RAW264.7 巨噬细胞中的黏附、侵袭及胞内生存能力与野生型无差异，表明 HP3 主要参与低 Mg2?胁迫适应，而非核心毒力因子。
研究结论与讨论
本研究首次系统揭示了布鲁氏菌响应低 Mg2?胁迫的遗传表达特征，证实 HP3 和 MgtC 通过调控 ATP 水解维持细菌代谢，并发现 HP3 在抗阳离子多肽和生物膜形成中的独特作用。研究结果表明，布鲁氏菌通过上调膜相关蛋白（如 HP3）和能量代谢相关因子（如 MgtC），协同应对宿主胞内的 Mg2?剥夺压力，为解析其胞内生存机制提供了关键靶点。
值得注意的是，尽管 MgtC 在多种胞内致病菌（如沙门氏菌、结核分枝杆菌）中被证实为毒力因子，但其在布鲁氏菌中的功能更侧重于代谢适应而非直接毒力。HP3 作为新鉴定的膜蛋白，其跨膜结构和信号肽特征提示其可能通过感知胞外 Mg2?浓度变化或参与膜脂多糖修饰，增强细菌对宿主防御分子的耐受性。这些发现不仅拓展了对布鲁氏菌胁迫适应网络的认知，也为开发靶向 Mg2?代谢通路的抗菌策略提供了理论依据。
未来研究可进一步探索 HP3 的膜定位机制及其与 Mg2?转运系统（如 MgtA、MgtE）的互作关系，深入解析布鲁氏菌在宿主不同微环境中的动态适应策略，为防控布鲁氏菌病提供新的干预方向。
