上调SigB或Spx通路逆转枯草芽孢杆菌中ComK诱导的细胞死亡及其对自然感受态调控的启示

这篇研究揭示了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）中感受态主调控因子ComK过表达导致细胞死亡的关键机制，并通过自发突变和转座子测序（Tn-seq）筛选发现，上调应激通路sigma B（SigB）或氧化应激调控因子Spx可逆转细胞死亡，但会降低感受态水平。研究阐明了细胞生长、应激响应与自然感受态（natural competence）间的复杂平衡，为细菌基因操作和工业应用提供了新见解。

　　

引言

自然感受态（natural competence）是细菌通过摄取外源DNA实现基因水平转移的关键过程。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）作为模式生物和工业菌株，其感受态发育受主调控因子ComK严格控制，仅在静止期（stationary phase）部分细胞中表达。本研究通过诱导ComK在指数期过表达，同步激活感受态，但发现其会抑制DNA复制和细胞分裂，最终导致细胞死亡。

结果

ComK过表达增加感受态但引发细胞死亡

在标准感受态培养基中，野生型菌株的转化效率为2×10^?4，而IPTG诱导的P_spank-comK菌株提升10倍。然而，持续过表达导致细胞伸长（平均长度从3.41 μm增至6.96 μm）、DNA复制抑制（复制起点数从2.6降至1.3）和细胞死亡。

抑制突变筛选揭示SigB与Spx的关键作用

通过自发突变和Tn-seq筛选，发现两类抑制突变：

1. SigB通路相关：rsbX（负调控因子）和rsbW（抗σ因子）突变解除SigB抑制，上调应激响应基因。

2. Spx通路相关：yjbH和clpX突变阻断Spx降解，提高其蛋白水平。

验证实验显示，ΔrsbX、rsbW^D149N或ΔyjbH突变体均能恢复细胞分裂和DNA复制，但ComK蛋白水平显著降低。

应激通路与感受态的互斥性

过表达sigB或非降解型spx（spxDD/spxΔC）可挽救细胞死亡，但代价是感受态效率下降10⁴倍。免疫印迹证实，抑制突变中ComK蛋白几乎检测不到，与SigB诱导的反义RNA抑制翻译及Spx增强ComK降解的机制一致。

讨论

研究揭示了感受态与细胞基本功能的天然冲突：ComK通过激活ComGA和Maf等效应蛋白，抑制FtsZ环形成和DNA复制起始，可能为DNA重组修复争取时间。而应激通路（SigB/Spx）的激活优先保障生存，代价是牺牲感受态。这一发现解释了自然界中感受态的双稳态（bistability）现象——仅约10%细胞进入感受态，其余维持生长。

意义

该工作为细菌基因操作提供了新视角：尽管同步诱导感受态的尝试因细胞死亡受限，但揭示了应激响应与发育程序的深层互作。未来或可通过时序调控ComK与应激通路，优化工业菌株的基因编辑效率。

（注：全文基于原文实验数据归纳，未添加非文献支持内容。）