禽波氏杆菌毒力调控因子BvgS介导营养诱导丝状化机制及其致病意义

本研究首次揭示禽波氏杆菌(Bordetella avium)通过毒力调控系统BvgAS感应营养变化，调控琥珀酰辅酶A:乙酸辅酶A转移酶(SCACT)介导的代谢重编程，驱动营养诱导丝状化表型。该发现为理解波氏杆菌属病原体形态可塑性提供了新视角，揭示了代谢通路与毒力表型的动态关联。

　　

ABSTRACT

禽波氏杆菌(Bordetella avium)作为禽类呼吸道传染病波氏杆菌病的病原体，其致病机制长期被认为由双组分毒力调控系统BvgAS主导。然而最新研究发现，该菌在富含营养的培养基(TB)中会呈现显著的丝状化现象，这种形态转变与经典毒力调控网络存在未知关联。通过筛选获得两个独立的不形成丝状体的突变株9b-6和10a-1，全基因组测序揭示它们均在bvgS基因存在特异性突变——前者携带10个氨基酸插入(p.R687_V688insLLPYSDSLGR)，后者发生D580Y点突变。引人注目的是，完整敲除bvgS的菌株仍保留丝状化能力，暗示这些突变可能将细菌锁定在特定的调控状态。

INTRODUCTION

波氏杆菌属的形态可塑性研究始于新发现的线虫病原体B. atropi，该菌通过营养诱导丝状化实现在宿主肠上皮细胞间的扩散。比较研究发现，禽源B. avium在从标准培养基(TSB)转换至高营养培养基(TB)时，菌体长度可从2-5 μm延长至50 μm以上。扫描电镜(SEM)显示这些丝状体表面粗糙，约0.1%的菌体甚至出现典型革兰氏阳性菌才有的分枝现象。这种形态转变与经典应激诱导的丝状化不同，暗示其可能作为新的毒力表型。

RESULTS

高营养培养基诱导丝状化

在化学成分明确培养基(CDM)中，B. avium主要呈现球杆状；TSB培养时出现短丝状体；而转换至TB后，80%以上菌体转变为长丝状。生长曲线分析显示，丝状化菌株在稳定期光密度(OD₆₀₀)下降，可能与丝状体沉淀有关。

bvgS突变体筛选与表征

经过9-10轮5 μm滤膜筛选获得的两个突变株在TB中平均长度仅2-2.5 μm。互补实验证实，将野生型bvgS导入突变体9b-6后，在200 μg/mL鼠李糖诱导下菌体平均长度恢复至28 μm。值得注意的是，突变体在TB中显著上调生物膜形成相关基因，而野生型则优先激活转运蛋白和代谢酶基因。

转录组学揭示代谢重编程

RNA-seq分析显示，野生型菌株在TB中相比CDM有473个基因上调，447个基因下调，而突变体9b-6仅分别调控362和324个基因。关键发现包括：

1. 野生型特异性上调Wsp操纵子（生物膜调控）和C4-二羧酸转运蛋白dctA

2. 琥珀酰辅酶A:乙酸辅酶A转移酶(SCACT)基因表达差异最大（野生型上调8倍）

3. GO分析显示野生型显著富集转移酶、水解酶和转运蛋白活性相关通路

代谢干预调控丝状化

添加SCACT上游代谢物乙酸(20 mM)使野生型菌体长度从8 μm增至26.5 μm；而添加下游产物琥珀酸(1 mM)可部分挽救突变体丝状化缺陷（3.6 μm→5.5 μm）。抑制琥珀酸脱氢酶的丙二酸(80 mM)则完全阻断野生型丝状化，暗示TCA循环中间产物的动态平衡是关键调控节点。

DISCUSSION

本研究建立了BvgS-SCACT代谢轴调控丝状化的新范式：

1. 营养感应：BvgS通过PAS结构域感知TB培养基中的营养变化

2. 代谢重编程：上调SCACT促进乙酸→琥珀酸转化，改变TCA循环通量

3. 形态转变：代谢中间产物积累触发FtsZ环形成抑制，导致分裂延迟

该机制与B. atropi的UDP-葡萄糖/OpgH通路不同，表明波氏杆菌属可能进化出多样的丝状化调控策略。在禽类宿主呼吸道中，微生物组衍生的乙酸可能成为触发丝状化的天然诱导剂，这种代谢感应机制为开发新型抗菌策略提供了靶点。未来研究需明确丝状化在呼吸道定植中的具体作用，以及该现象在其他人兽共患波氏杆菌（如百日咳杆菌）中的保守性。

MATERIALS AND METHODS

实验采用ATCC 35086菌株，在37°C、200 RPM条件下培养。丝状化诱导通过TSB→TB转换实现。突变体筛选使用5 μm滤膜连续过滤9-10代。RNA-seq采用NovaSeq PE150平台，数据存放于GenBank(PRJNA1252785)。代谢干预实验使用0.5 M无菌过滤的代谢物储备液。电镜样品经2.5%戊二醛固定和六甲基二硅氮烷干燥处理。