ATP依赖DNA连接酶Lig E调控淋病奈瑟菌微菌落形成及生物膜构建的机制研究

本研究针对淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae）生物膜依赖的抗生素耐药和免疫逃逸问题，通过构建lig E基因缺失和过表达菌株，结合CDC Biofilm Reactor? 和3D人阴道上皮组织模型，首次揭示ATP依赖DNA连接酶Lig E通过调控胞外DNA（exDNA）连接促进微菌落形成和生物膜结构稳定性的机制。该发现为靶向细菌生物膜的新型抗感染策略提供了理论依据。

　　

淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae）是导致性传播疾病淋病的病原体，其形成的生物膜（biofilm）富含胞外DNA（exDNA），不仅增强抗生素耐药性，还能逃避免疫系统攻击，导致高达50%的女性感染者无症状。传统研究多关注生物膜中的多糖成分，但淋病奈瑟菌缺乏相关合成基因，其生物膜主要依赖exDNA维持结构。然而，exDNA如何被调控以支持生物膜稳定性尚不明确。

针对这一科学问题，新西兰怀卡托大学和英国卡迪夫大学的研究团队聚焦于一种特殊的ATP依赖DNA连接酶Lig E。该酶具有预测的分泌信号肽，在多种革兰阴性菌中保守存在，但其在生物膜形成中的功能未被阐明。研究人员通过构建lig E基因缺失（Δlig E^kan
）、C端His标签标记（lig E-his^kan
）和强启动子过表达（opaB-lig E-his^kan
）菌株，结合新型技术平台，首次证实Lig E通过连接exDNA片段促进微菌落凝聚和生物膜结构完整性。相关成果发表于《Biofilm》期刊。

研究采用四项关键技术：1）CDC Biofilm Reactor^?
系统模拟流体剪切力下的生物膜动态形成；2）3D重构人阴道上皮（rHVE）模型替代传统单层细胞，评估组织侵袭性；3）激光共聚焦显微镜（CLSM）结合COMSTAT 2.1软件定量生物膜三维参数；4）扫描电镜（SEM）解析微菌落超微结构。

【结果1：Lig E调控生物膜空间构型】
CLSM显示Δlig E^kan
在聚碳酸酯表面的生物膜覆盖率显著低于野生型（wt），平均厚度降低40%（p<0.01）。过表达菌株则形成更致密的生物膜，最大厚度增加25%，表面/生物量比下降（p<0.001），表明Lig E通过增强exDNA连接促进基质致密化。

【结果2：组织侵袭与损伤减弱】
在rHVE模型中，Δlig E^kan
主要滞留于上皮表层，侵袭深度仅为wt的30%（p<0.001），组织损伤标志物LDH释放量减少50%。过表达菌株虽生物量相近，但呈现更深层侵袭趋势，提示Lig E可能通过稳定exDNA网络协助细菌穿透组织屏障。

【结果3：微菌落形态学改变】
SEM发现Δlig E^kan
微菌落面积缩减60%（p<0.05），菌间连接丝减少。对比nuc（核酸酶基因）缺失株的致密微菌落，证实Lig E与Nuc协同调控exDNA长度分布，平衡生物膜结构可塑性。

结论与讨论：
该研究揭示Lig E作为exDNA修复酶，通过连接DNA片段形成高分子量基质骨架，是淋病奈瑟菌微菌落凝聚和生物膜结构稳定的关键因素。其机制可能包括：1）延长exDNA抵抗流体剪切力；2）形成DNA-蛋白复合物增强基质刚性；3）与Nuc构成"剪切-连接"动态平衡系统。

这项工作的创新点在于：首次将CDC Biofilm Reactor^?
应用于淋病奈瑟菌研究，建立3D组织感染模型，并发现Lig E可作为抗生物膜新靶点。未来需探究：1）Lig E分泌的具体途径（如是否通过膜泡运输）；2）exDNA长度对基因水平转移的影响；3）Lig E抑制剂与现有抗生素的协同效应。该研究为理解细菌生物膜的物理稳定性提供了新视角，对开发抗耐药菌感染策略具有重要指导意义。