水平获得I型限制修饰系统通过介导转录因子编码基因甲基化增强细菌致病性的机制研究

本研究针对I型限制修饰系统(Type I RM)的进化轨迹和功能机制这一关键科学问题，通过多组学联合分析揭示了RMS基因簇(hsdR-hsdM-hsdS)通过水平基因转移(HGT)稳定遗传后，通过甲基化转录因子编码基因调控鞭毛组装和趋化通路，从而增强细菌致病性的全新机制。研究首次构建了从进化起源到功能实现的完整范式，为细菌表观遗传调控网络提供了重要理论依据。

　　

在微生物与宿主的永恒博弈中，细菌进化出了精妙的防御系统——限制修饰系统(Restriction-Modification system, RM)。其中I型限制修饰系统(Type I RM)作为最早被发现的"分子剪刀"，由hsdR、hsdM和hsdS三个基因编码，既能切割外源未甲基化DNA，又能甲基化自身DNA。但令人困惑的是，这个系统如何跨越物种屏障稳定遗传？又为何被细菌长期保留？这些谜题一直困扰着微生物学家。

海南大学生命与健康学院、海南省"一健康"重点实验室的研究团队在《Nucleic Acids Research》发表的重要研究给出了答案。研究人员通过分析4273个原核生物基因组，追踪了I型RM系统的进化轨迹，发现5'-hsdR-hsdM-hsdS-3'(RMS)构型是最进化的稳定形式。在模式菌株Aeromonas veronii C4中，敲除RMS导致鞭毛缺失和致病力显著下降。整合甲基组与转录组分析揭示，RMS通过甲基化转录因子编码基因的特定基序5'-GTANNNNNNNNNCTTC-3'，形成级联调控网络，最终影响鞭毛组装和趋化相关基因表达。

研究主要采用四大关键技术：1) 基于HMMER的hsd基因全基因组扫描；2) 使用RANGER-DTL进行基因树-物种树进化重建；3) 基于PacBio SMRT的DNA甲基化测序；4) 结合TEM观察和小鼠感染模型的表型验证。

Distribution of Type I RM systems in prokaryotes is diverse

研究团队首先在4019个细菌和254个古菌基因组中鉴定出四种I型RM系统构型。通过系统发育分析发现，紧密连接的RMS和RSM在细菌中占主导，而存在基因插入的R-MS和R-SM在古菌中更常见。特别值得注意的是，脱硫杆菌门(Desulfobacterota)同时富含完整系统和分散基因，暗示其可能是I型RM系统的进化"熔炉"。

Distribution of Type I RM systems correlates with the ecological niche of strains

以A. veronii为模型的分析显示，水生分离株比人类分离株携带更多I型RM系统和前噬菌体。中国和日本菌株的系统丰度显著高于泰国菌株，表明生态位和地理因素共同塑造了I型RM系统的分布格局。

RMS has undergone a long and complex evolutionary process

进化重建表明，hsd基因通过基因复制和水平转移在物种间广泛传播。脱硫杆菌门和蓝藻门在基因树中处于基底部位，提示它们可能是RMS的原始供体。最终，自然选择促使松散分布的基因形成紧密连锁的RMS构型。

△RMS strain lacks flagellum and exhibits a reduced virulence phenotype

表型实验显示，RMS敲除菌株完全丧失单极鞭毛，小鼠肾脏定植能力下降10倍。组织病理学分析证实，野生型感染导致肾小管扩张和肾小球肿胀，而突变株几乎不引起病理损伤。

RMS modulates the expression of downstream genes by methylating transcription factor-encoding genes

多组学整合发现，RMS特异性甲基化16个转录因子编码基因内的5'-GTANNNNNNNNNCTTC-3'基序。其中9个转录因子(rpoN、rpoS等)调控89个差异基因，形成"甲基化-转录因子-效应基因"三级调控网络，最终影响鞭毛蛋白(fliC、fliD)和趋化蛋白(cheR、cheV)表达。

这项研究首次描绘了I型RM系统从水平转移到功能整合的完整进化-功能范式。其重要意义在于：1) 揭示了RMS通过表观遗传调控网络增强致病性的新机制；2) 阐明了细菌防御系统与毒力进化的协同关系；3) 为抗菌策略提供了新靶点——针对RMS介导的甲基化调控网络可能成为控制细菌感染的新思路。该发现不仅解决了微生物进化领域的核心问题，也为感染性疾病防治提供了理论依据。