tRNAGly基因冗余调控金黄色葡萄球菌细胞壁完整性、抗生素敏感性及毒力的机制研究

本研究通过CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除金黄色葡萄球菌中蛋白源性tRNAGlyGCC（P1）基因拷贝，揭示了tRNA基因冗余在维持细胞壁完整性中的关键作用。研究发现P1缺失虽不影响全局翻译效率，但导致细胞壁合成缺陷、β-内酰胺类抗生素敏感性增强及生物膜形成能力下降，首次证实tRNAGly通过协调蛋白质合成与肽聚糖交联双重途径调控病原体适应性。该成果为细菌代谢调控网络研究提供了新视角，发表于《Nucleic Acids Research》。

　　

在微生物世界，金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）如同一个精密的代谢工厂，其生存策略中隐藏着令人惊叹的分子调控艺术。这种病原体通过独特的五甘氨酸肽桥（pentaglycine bridge）加固细胞壁，既能抵抗宿主免疫攻击，又能发展抗生素耐药性。然而，这些甘氨酸分子的供应如何被精确调控，特别是当细胞需要同时满足蛋白质合成和细胞壁构建的双重需求时，始终是微生物学领域的未解之谜。希腊帕特拉斯大学医学院（University of Patras, Greece）与法国斯特拉斯堡大学（Université de Strasbourg, CNRS, France）的联合团队在《Nucleic Acids Research》发表的研究，首次揭示了转运RNA（tRNA）基因冗余在这一平衡中的核心作用。

研究人员聚焦于金黄色葡萄球菌RN4220菌株中五个甘氨酸tRNA（tRNA^Gly）同工受体（isoacceptor）的调控网络。这些tRNA被分为两类：蛋白源性的P1（tRNA^Gly_GCC）和P2（tRNA^Gly_UCC）参与核糖体翻译，而非蛋白源性的NP1/NP2/NEW则专供肽聚糖合成酶FemXAB使用。通过创新的葡萄球菌专用CRISPR/Cas9系统，团队成功敲除一个P1基因拷贝（KMZ21_RS09040），而保留的第二个拷贝（KMZ21_RS02335）因位于关键tRNA基因簇中无法删除，暗示两个拷贝可能存在功能分化。

研究采用多组学联用策略：通过蔗糖密度梯度离心分析多聚体谱评估翻译效率；NPN荧光探针检测细胞壁通透性；微量稀释法测定抗生素最小抑菌浓度（MIC）；结合转录组测序（RNA-seq）和质谱蛋白质组学（LC-MS/MS）全面解析分子表型；并通过荧光显微镜定量生物膜形成能力。

生长与翻译稳态的意外维持

敲除株在丰富（TSB）和限定（AAM）培养基中生长曲线与野生型无差异（图1C），多聚体谱分析显示70S核糖体及多聚体比例未改变（图1D-E）。Northern blot证实NP tRNA^Gly未被招募至翻译机器（图1F），表明剩余蛋白源性tRNA足以维持基础翻译需求。

细胞壁完整性的关键缺陷

尽管全局翻译未受影响，敲除株表现出多重细胞壁异常：

• 肽聚糖交联基因femX/femA/femB表达下调（图2A）

• 对氨苄西林（MIC 0.125→0.25 μg/ml）和万古霉素（MIC 2→4 μg/ml）敏感性倍增（表1）

• 溶葡萄球菌素（lysostaphin）抗性提升100倍（图2E），提示五甘氨酸桥结构改变

• 生物膜形成能力显著减弱（图6A），与ClfA（Clumping factor A）蛋白下调相关

营养依赖的应激响应

限定培养基中，铁稳态相关基因（hrtA/ftnA）上调而金属载体staphylopine合成酶cntD下调（图3）。丰富培养基中则出现毒素基因（mazE/pepA1）激活与核糖体蛋白抑制的典型应激反应，揭示环境营养水平决定tRNA^Gly冗余的生理代价。

进化视角的机制阐释

系统发育分析显示，P1 tRNA^Gly_GCC与NP tRNA^Gly聚为一支（Supplementary Fig. S7），暗示其可能进化出双重功能：既参与翻译，又作为甘氨酸储备用于肽聚糖合成（图7）。这种"一石二鸟"的策略，使得金黄色葡萄球菌能根据环境需求动态分配甘氨酸资源。

这项研究突破了传统认知中tRNA仅作为翻译元件的局限，揭示了其在病原菌代谢调控中的多维角色。发现tRNA^Gly基因冗余通过维持甘氨酸流量平衡，成为连接细菌基础代谢与致病力的关键节点，为针对细胞壁合成的抗菌策略提供了新靶点。特别值得注意的是，该研究首次实验证实NP tRNA^Gly严格区分于翻译途径（图1F），解决了长期存在的功能争议。未来研究可探索其他病原体中类似tRNA冗余机制，以及如何通过干扰T-box核糖开关（glyS T-box）调控网络开发新型抗菌药物。