畜牧兽医学报  2022, Vol. 53 Issue (2): 607-617. DOI: 10.11843/j.issn.0366-6964.2022.02.027    PDF    
FliC蛋白R91S突变对肠炎沙门菌鞭毛形态和小鼠体内定植的影响
王俊1, 李军1, 崔国林2     
1. 嘉兴职业技术学院, 嘉兴 314036;
2. 河北工程大学 生命科学与食品工程学院, 邯郸 056038
摘要:沙门菌血清D群3个血清型FliC蛋白氨基酸序列比对分析表明肠炎沙门菌与鸡伤寒沙门菌完全相同,二者与鸡白痢沙门菌存在第91位氨基酸位点差异。本研究旨在探究肠炎沙门菌FliC蛋白第91位精氨酸突变对鞭毛形态、细菌运动性和小鼠体内定植能力的影响。运用λ-Red同源重组技术删除肠炎沙门菌CICC10467 fliC基因,构建系列反式回补突变株,通过体外生长特性试验和Western blot试验分析各菌株生长和FliC蛋白表达情况,运动性试验分析各菌株在半固体琼脂中的泳动能力,电子显微镜观察各菌株鞭毛形态,细胞感染试验分析各菌株的细胞黏附和入侵能力,动物感染试验分析各菌株的组织侵染能力。结果表明,fliC基因缺失株及点突变回补株与野生株的体外生长能力无显著差异(P ≥ 0.05)。fliC基因缺失后肠炎沙门菌不表达鞭毛蛋白,各点突变回补株与野生株鞭毛蛋白表达量无明显差异。FliC蛋白R91S突变导致肠炎沙门菌鞭毛形态由超螺旋形态转变为钝直、柔韧度减弱,运动性显著降低(P < 0.000 1),对RAW264.7和HCT116细胞的黏附入侵能力显著下降(P < 0.001),对BALB/c小鼠的器官侵染能力显著减弱(P < 0.001)。综上表明,FliC蛋白第91位精氨酸对维持细菌运动性至关重要,第91位精氨酸突变能够显著改变肠炎沙门菌鞭毛形态,减弱肠炎沙门菌在小鼠体内定植能力。
关键词肠炎沙门菌    FliC蛋白    R91S    鞭毛形态    BALB/c    定植    
The Effect of R91S Mutation in FliC on the Flagellar Shape and Salmonella Enteritidis Colonization in BALB/c Mice
WANG Jun1, LI Jun1, CUI Guolin2     
1. Jiaxing Vocational and Technical College, Jiaxing 314036, China;
2. College of Life Science and Food Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China
Abstract: FliC amino acid sequences alignment of three serovars in Salmonella enterica serogroup D revealed that S. Enteritidis sharing the same pattern with S. Gallinarum displayed different amino acid residue at the 91th position. The objective of this work is to investigate the effect of arginine mutation at the 91th position of FliC protein on flagellar shape and S. Enteritidis colonization in liver and spleen in BALB/c mice. fliC gene was deleted from the genome of CICC10467 using λ-Red homologous recombination system and a series of trans-complemented strains were constructed. The growth characteristics and FliC expression were evaluated through growth curve analysis and Western blot assay. Flagellar motility and shape were analyzed with soft agar plates and transmission electron microscope, respectively. The ability of cellular adhesion and invasion of wild type and its derivates in vitro and in vivo were tested. The result suggested that there was no difference on bacterial growth and FliC expression between wild type and complements besides loss of expression in fliC mutant. R91S substitution changed the flagellar shape of S. Enteritidis into blunt and straight and weaken flexibility and nearly abrogated bacterial motility (P < 0.000 1), the ability of adhesion and invasion to HCT116 and RAW264.7 and the load of mutant in liver and spleen of BALB/c mice was decreased comparison with wild type (P < 0.001). Taken together, arginine at the 91th position is essential for bacterial motility, R91S substitution remarkably changes the flagellar shape of S. Enteritidis and impairs bacterial colonization in BALB/c mice.
Key words: Salmonella Enteritidis    FliC protein    R91S    flagellar shape    BALB/c    colonization    

鞭毛是沙门菌重要的运动器官,帮助其在液体环境中改变运动状态和运动方向[1]。正常情况下,当细菌所处周围环境的pH、温度、盐离子浓度等条件发生变化时,细菌细胞膜受体蛋白感应刺激,信号蛋白磷酸化结合至C环结构蛋白FliM、FliN等,引起C环构象改变,质子流向鞭毛马达,向其施加扭转力导致细菌鞭毛形态改变从而切换运动状态,这一过程是由鞭毛形态控制细菌的运动状态[2-4]

沙门菌鞭毛蛋白FliC由末端的保守区域D0、D1和中间的高变区域D2、D3构成[5]。D0和D1区域参与TLR5识别和鞭毛丝结构组成,D2和D3区域参与体液免疫应答[6]。FliC蛋白的氨基酸序列与鞭毛形态和细菌运动性之间存在相关关系。Kanto等[7]发现部分鼠伤寒沙门菌菌株FliC蛋白的单个或两个氨基酸突变导致鞭毛产生多种形态,氨基酸序列分析表明,突变位点均位于N端和C端的α螺旋结构。Smith等[8]通过比对鼠伤寒沙门菌与大肠杆菌、铜绿假单胞杆菌、枯草芽胞杆菌、单核细胞增生李斯特菌等fliC基因的TLR5识别区域,将其中高度保守的氨基酸依次置换成丙氨酸后发现部分位点替换后仅能降低TLR5识别,而部分位点替换能够导致细菌运动性的完全丧失。由此可见,鞭毛蛋白氨基酸序列与鞭毛运动性密切相关。Hayashi等[9]分离4株突变株,鞭毛形态由钝直转变为超螺旋,涉及7个新鉴定的氨基酸突变位点均位于D1区域。Wang等[10]鉴定鼠伤寒沙门菌FliC蛋白D108A、N133A和D152A突变导致鞭毛蛋白亚基之间的氢键作用力破坏从而改变鞭毛形态和细菌运动性。目前关于肠炎沙门菌的FliC蛋白氨基酸位点与鞭毛形态及细菌运动性之间相关性尚不明确。

本研究通过比对分析D群的肠炎沙门菌、鸡伤寒沙门菌和鸡白痢沙门菌的FliC蛋白氨基酸序列发现存在第91位、第339位、第431位3个氨基酸位点差异,进一步序列比对结果揭示,仅鸡白痢沙门菌第91位点为丝氨酸,肠炎沙门菌、鸡伤寒沙门菌、鼠伤寒沙门菌等23个血清型均为精氨酸。运动性试验、鞭毛形态结构观察、细胞感染试验和动物感染试验揭示了肠炎沙门菌第91位精氨酸是维持鞭毛形态结构和运动性的关键氨基酸,第91位精氨酸突变为丝氨酸能够减弱肠炎沙门菌黏附入侵细胞和小鼠体内定植能力。

1 材料与方法 1.1 菌株、质粒和细胞

肠炎沙门菌CICC10467购自中国工业微生物菌种保藏中心,鸡白痢沙门菌ATCC13036购自美国菌株保藏中心(ATCC)。pKD3质粒、pKD46质粒和pCP20质粒由中国农业大学动物医学院吴文学研究员惠赠;pBR322质粒由中国农业大学动物医学院吴清民教授惠赠。RAW264.7和HCT116细胞购自国家实验细胞资源共享服务平台。

1.2 实验动物

7日龄SPF雏鸡购自勃林格殷格翰维通生物技术(北京)有限公司,6~8周雌性BALB/c小鼠购自斯贝福(北京)有限公司。

1.3 fliC基因序列比对

从GenBank数据库下载肠炎沙门菌部分菌株基因组序列、鸡白痢和鸡伤寒沙门菌全部菌株基因组序列,截取fliC基因序列进行氨基酸序列比对。

1.4 肠炎沙门菌fliC基因突变株及回补株构建

参考Yang等[11]构建沙门菌基因缺失株和回补株方法,运用λ-Red同源重组方法删除肠炎沙门菌CICC10467 fliC基因,以pBR322质粒为骨架构建反式回补株,分别命名为肠炎沙门菌fliC基因回补株(ΔfliC: : S. Enteritidis fliC)和7个以肠炎沙门菌FliC蛋白为骨架仅置换鸡白痢沙门菌FliC蛋白差异位点的回补株,包括第91位突变回补株(ΔfliC: : R91S)、第339位突变回补株(ΔfliC: : Q339K)、第431位突变回补株(ΔfliC: : A431T)、第91和第339位双突变回补株(ΔfliC: : R91S/Q339K)、第91和第431位双突变回补株(ΔfliC: : R91S/A431T)、第339和第431位双突变回补株(ΔfliC: : Q339K/A431T)和第91位、第339位及第431位突变回补株(ΔfliC: : R91S/Q339K/A431T)。

1.5 肠炎沙门菌野生株、缺失株和回补株的生长特性分析

分别将野生株和回补株的过夜培养物浓度调整至OD600 nm约为1.0,以1:100接种至25 mL新鲜TSB培养基中,37 ℃、200 r·min-1振荡培养,每2 h测定培养物OD600 nm值。

1.6 运动性试验

将过夜培养菌液浓度调整至OD600 nm=1.0,移液器吸取2 μL滴加至LB肉汤(0.3%琼脂),37 ℃培养6 h,测量细菌运动圈直径并拍照。

1.7 透射电镜观察

向过夜培养的平板中加入3 mL无菌水放置5 min,将铜网置于无菌水液面上静置5 min,取出铜网置于干净滤纸上吸取多余水分,放置于100 μL 2%磷钨酸中负染5 min,迅速用滤纸吸去磷钨酸,透射显微镜观察。

1.8 细胞黏附和入侵试验

1.8.1 细胞准备   将RAW 264.7细胞以4×105个·孔-1接种至24孔板,37 ℃、5% CO2培养过夜使细胞密度达到80%。PBS洗涤过夜培养的细菌培养物1次,预热的RMPI-1640基础培养液稀释菌液浓度至3×107 CFU·mL-1,然后进行黏附和入侵试验。

1.8.2 细胞黏附试验   1 μg·mL-1 Cytochalasin D 37 ℃预处理细胞1 h,无菌PBS彻底洗去Cytochalasin D。以MOI=10感染细胞,37 ℃继续孵育60 min。冰水裂解细胞10 min,收取裂解液进行梯度稀释,取100 μL涂布于TSA平板,37 ℃培养18 h后计数。将HCT116细胞以5×105个·孔-1接种至24孔板,37 ℃、5% CO2条件培养过夜使细胞密度达到90%。将细胞置于4 ℃预处理30 min。PBS洗涤过夜培养的细菌培养物1次,预热的RMPI-1640基础培养液稀释菌液浓度至4.5×107 CFU·mL-1。以MOI=10感染细胞,4 ℃条件孵育30 min。PBS洗涤细胞3次。冰水裂解细胞10 min,将细胞裂解液梯度稀释,取100 μL涂布于TSB平板,37 ℃培养16 h后计数。

1.8.3 细胞入侵试验   以MOI=10感染细胞,37 ℃、5% CO2条件孵育50 min。PBS洗涤细胞3次。加入含100 μg·mL-1庆大霉素的RMPI-1640培养液继续培养2 h,冰水裂解细胞,对裂解细胞液进行梯度稀释,取100 μL涂布于TSB平板,37 ℃培养16 h后计数。HCT116细胞感染过程同RAW264.7细胞[12]

1.9 间接免疫荧光试验

将RAW264.7细胞以4×105个·孔-1接种至24孔板,37 ℃、5% CO2条件培养过夜使细胞密度达到90%。将细胞置于4 ℃预处理30 min。PBS洗涤过夜培养的细菌培养物1次,预热的RMPI-1640基础培养液稀释菌液浓度至4.5×107 CFU·mL-1。以MOI=10感染细胞,4 ℃孵育30 min。PBS洗涤细胞3次。固定液室温固定细胞20 min;PBS温和洗涤3次;将鸭源抗肠炎沙门菌阳性血清1:200稀释,室温孵育1 h后,PBS温和洗涤3次;将FITC标记山羊抗鸭二抗1:100稀释,室温孵育1 h;PBS温和洗涤3次;DAPI孵育10 min后PBS温和洗涤3次;荧光显微镜观察。

1.10 动物感染试验

菌株准备步骤同“1.8”。75只6~8周龄雌性BALB/c小鼠随机分成5组,A组(WT)、B组(ΔfliC)、C组(ΔfliC: : S. Enteritidis fliC)、D组(ΔfliC: : R91S)为试验组,E组为空白对照组,每组15只。试验组小鼠每只腹腔注射1×105 CFU沙门菌,对照组注射无菌PBS,分别在感染后的6、24、48 h每组处死5只,取肝和脾,制成20%组织悬液,梯度稀释后涂布至XLD琼脂平板,37 ℃培养18 ~24 h后计数。

1.11 数据统计与分析

氨基酸序列比对分析使用DNASTAR Lasergene软件包Megalign 7.0软件,同源建模使用在线软件SWISS-model,遗传进化分析使用MEGA 7.0软件,其他数据分析使用GraphPad Prism 7.0软件。差异显著性检验采用One-way ANOVA和Two-way ANOVA,ns. P≥0.05; *.P < 0.05; **.P < 0.01; ***.P < 0.001; ****.P < 0.000 1。

2 结果 2.1 FliC第91位氨基酸差异在肠炎和鸡白痢沙门菌血清型间高度保守

比对分析GenBank数据库中存在的肠炎、鸡白痢和鸡伤寒沙门菌FliC蛋白氨基酸序列,结果表明肠炎和鸡伤寒沙门菌的序列完全一致,肠炎和鸡白痢沙门菌存在两种差异位点类型,分别命名为鸡白痢沙门菌Type Ⅰ型和Type Ⅱ型,氨基酸位点差异分别是位于ND1区域的第91位、D3区域的第339位和CD2区域的第431位(表 1)。进一步比对部分鞭毛型不同的沙门菌血清型FliC蛋白的氨基酸序列发现第91位精氨酸在肠炎沙门菌、鸡伤寒沙门菌、鼠伤寒沙门菌等23个血清型间高度保守,仅鸡白痢沙门菌为丝氨酸(表 2)。

表 1 D群3个沙门菌血清型FliC蛋白氨基酸序列比对 Table 1 Comparison of amino acid in FliC protein of three Salmonella serovars in serogroup D
表 2 部分沙门菌血清型FliC蛋白氨基酸序列比对 Table 2 Comparison of amino acid in partial Salmonella FliC protein
2.2 肠炎沙门菌fliC基因缺失株和突变回补株构建

PCR扩增结果表明,运用同源重组技术成功删除肠炎沙门菌CICC10467 fliC基因,通过pBR322质粒成功构建8个反式回补株,Western blot分析表明,各回补株的FliC蛋白表达量与野生株基本一致,fliC基因缺失株不表达FliC蛋白(图 1A)。体外生长试验结果显示,野生株、fliC基因缺失株和各突变回补株在TSB培养基中生长速度无显著差异(P≥0.05)(图 1B)。

A. 野生株、缺失株和反式回补株的PCR和Western blot鉴定;B. 野生株、缺失株和反式回补突变株生长特性分析,菌株之间生长差异显著性检验采用One-way ANOVA, ns. 差异不显著(P≥0.05)。WT.肠炎沙门菌CICC10467野生株;ΔfliC. 肠炎沙门菌CICC10467 fliC基因突变株;ΔfliC: : S. Enteritidis fliC. 肠炎沙门菌CICC10467 fliC基因回补株;ΔfliC: : R91S/Q339K/A431T. R91S、Q339K和A431T反式回补突变株;ΔfliC: : R91S. R91S反式回补突变株;ΔfliC: : Q339K. Q339K反式回补突变株;ΔfliC: : A431T. A431T反式回补突变株;ΔfliC: : R91S/Q339K. R91S和Q339K反式回补突变株;ΔfliC: : R91S/A431K. R91S和A431K反式回补突变株;ΔfliC: : Q339K/A431K. Q339K和A431K反式回补突变株,下图同 A. PCR and Western blot identification for wild type, mutant and complements; B. Growth analysis of wild type, mutant and trans-complemented strains. Growth characteristic of wild type, fliC mutant and trans-complemented strains was analyzed by One-way ANOVA, ns. No significant (P≥0.05). WT, ΔfliC, ΔfliC: : S. Enteritidis fliC, ΔfliC: : R91S/Q339K/A431T, ΔfliC: : R91S, ΔfliC: : Q339K, ΔfliC: : A431T, ΔfliC: : R91S/Q339K, ΔfliC: : R91S/A431K, ΔfliC: : Q339K/A431K denoted S. Enteritidis CICC10467 wild type, fliC mutant, S. Enteritidis fliC trans-complemented strain, R91S/Q339K/A431T trans-complemented strain, R91S trans-complemented strain, Q339K trans-complemented strain, A431T trans-complemented strain, R91S/Q339K trans-complemented strain, R91S/A431K trans-complemented strain, Q339K/A431K trans-complemented strain, respectively, the same as below 图 1 沙门菌野生株、fliC缺失株和反式回补突变株鉴定 Fig. 1 Identification of wild type, fliC mutant and trans-complemented strains
2.3 FliC第91位精氨酸突变减弱肠炎沙门菌鞭毛运动性

运动性试验结果显示,S. Enteritidis fliC回补株和R91S/Q339K/A431T回补株的运动性恢复至野生株的80%,fliC基因缺失株运动能力丧失,R91S、R91S/Q339K、R91S/A431T回补株与缺失株的运动能力基本一致,并且显著低于野生株(P < 0.000 1)(图 2)。结果表明,FliC第91位精氨酸置换为丝氨酸后导致肠炎沙门菌运动性丧失。

菌株之间运动性的差异显著性检验采用One-way ANOVA, ****.P < 0.000 1 Comparisons of colony diameter was analyzed by One-way ANOVA, ****.P < 0.000 1 图 2 野生株、fliC基因突变株和反式回补突变株的运动性分析 Fig. 2 Motility analysis of wild type, fliC mutant and trans-complemented strains
2.4 FliC第91位精氨酸突变改变肠炎沙门菌鞭毛形态

研究表明,细菌鞭毛形态与运动性密切相关,为进一步探究FliC第91位精氨酸突变为丝氨酸是否通过改变肠炎沙门菌的鞭毛形态从而改变其运动性,通过透射电镜观察发现,S. Enteritidis fliC和R91S/Q339K/A431T(Type Ⅱ)回补株的鞭毛形态与野生株基本一致,Q339K、A431T和Q339K/A431T回补株鞭毛形态基本一致,弯曲程度大,柔韧性较强,R91S、R91S/Q339K和R91S/A431T回补株均存在第91位精氨酸突变,鞭毛形态与野毒株明显不同,形态钝直柔韧性较低,表明FliC蛋白R91S突变导致鞭毛的形态发生改变从而影响其运动性(图 3)。同时揭示了肠炎沙门菌运动性、鞭毛形态和氨基酸位点三者之间密切相关性,第91位、第339位和第431位3个氨基酸位点存在结构互作使得沙门菌鞭毛形态得到一定程度恢复。

图 3 野生株、fliC基因突变株和反式回补突变株鞭毛的透射电镜图(Bar=2 μm) Fig. 3 Transmission electron micrograph of flagellum on wild type, fliC mutant and trans-complemented strains (Bar=2 μm)
2.5 FliC第91位氨基酸突变降低肠炎沙门菌黏附和入侵细胞能力

为探究FliC第91位精氨酸突变为丝氨酸对细菌的细胞黏附和入侵能力的影响,通过结肠癌细胞HCT116和小鼠腹腔巨噬细胞RAW264.7的感染试验证实S. Enteritidis fliC回补株和R91S/Q339K/A431T回补株的细胞黏附和入侵能力显著强于fliC缺失株(P < 0.01),R91S、R91S/Q339K、R91S/A431T回补株与fliC基因缺失株的黏附和入侵细胞能力无显著差异(P≥0.05)并且均显著低于亲本毒株(P < 0.001)(图 4)。间接免疫荧光试验获得相似的结果(图 5)。以上结果揭示R91S突变能够显著减弱肠炎沙门菌对HCT116和RAW264.7细胞的黏附和入侵能力。

黏附试验:分别将HCT116(A)和RAW264.7细胞(B)4 ℃预冷30 min,以MOI=10感染细胞后4 ℃继续孵育30 min,裂解细胞收集裂解液,稀释后进行平板计数;入侵试验:以MOI=10菌量分别感染HCT116(C)和RAW264.7细胞(D),37 ℃孵育2 h后,裂解细胞收集裂解液,稀释后进行平板计数;采用One-way ANOVA进行显著性检验(ns.P≥0.05; *.P < 0.05; **.P < 0.01; ***.P < 0.001) For adhesion assay, HCT116 (A) and RAW 264.7 (B) cells were precooled at 4 ℃ for 30 min, cells were lysed after infecting with strains (MOI=10) at 4 ℃ for 30 min, then inoculated TSA plate for bacteria mount; For invasion assay, HCT116 (C) and Raw2647 (D) cells were lysed after infecting with strains (MOI=10) at 37 ℃ for 2 h, followly inoculated TSA plate for bacteria amount, comparison of bacterial load were analyzed by One-way ANOVA (ns. P≥0.05; *.P < 0.05; **.P < 0.01; ***.P < 0.001) 图 4 野生株、fliC基因突变株和反式回补突变株对HCT116细胞和RAW264.7细胞的黏附和入侵 Fig. 4 Adhesion and invasion assay of wild type, fliC mutant and trans-complemented strains in HCT116 cells and RAW264.7 cells
蓝色荧光表示RAW264.7细胞核,绿色荧光表示肠炎沙门菌 Blue fluorescence and green fluorescence represented nucleus of RAW264.7 cells and Salmonella Enteritidis, respectively 图 5 间接免疫荧光试验鉴定各菌株对RAW264.7细胞的黏附能力(400×) Fig. 5 Adhesion ability of each Salmonella strain to RAW264.7 cells identified by indirect immunofluorescence assay (400×)
2.6 FliC第91位氨基酸突变减弱肠炎沙门菌在动物体内定植能力

BALB/c小鼠腹腔注射感染各菌株后,评估各组肝和脾中细菌载量,细菌计数结果显示,感染后6、24、48 h,fliC缺失株和R91S回补株感染的小鼠器官载量无显著差异,野生株和S. Enteritidis fliC回补株感染的小鼠器官载量无显著差异,野生株和S. Enteritidis fliC回补株入侵小鼠肝和脾能力显著高于fliC缺失株和R91S回补株(P < 0.001或P < 0.000 1)(图 6),以上结果提示fliC基因缺失影响肠炎沙门菌在BALB/c小鼠肝和脾的定植能力,R91S突变能够减弱肠炎沙门菌的体内定植能力。

105CFU肠炎沙门菌野生株或突变株腹腔感染BALB/c小鼠,感染后6、24、48 h测定肝和脾的载菌量;显著性检验采用Two-way ANOVA,ns. P≥0.05; *.P < 0.05; **.P < 0.01; ***.P < 0.001; ****.P < 0.000 1 BALB/c mice were intraperitoneally infected with 1×105CFU Salmonella Enteritidis wild type and mutations. At 6, 24, 48 h post infection, the bacterial load were assessed on liver and spleen; Comparison of bacterial load was analyzed by Two-way ANOVA with: ns. P≥0.05; *.P < 0.05; **.P < 0.01; ***.P < 0.001; ****.P < 0.000 1 图 6 FliC第91位精氨酸突变对肠炎沙门菌体内定植能力的影响 Fig. 6 The effect of 91 arginine mutation in FliC protein on colonization of Salmonella Enteritidis in vivo

细菌感染后24 h肝和脾载菌量整体均呈现下降趋势,48 h时组织中的细菌载量高于24 h,并且fliC缺失株和R91S回补株的器官载量显著低于野生株和S. Enteritidis fliC回补株(P < 0.000 1),表明感染后48 h细菌出现增殖,fliC基因缺失株和R91S突变株的黏附和入侵能力减弱直接影响其胞内增殖(图 6)。

3 讨论

细菌的鞭毛是复杂的运动器官,形成过程需要多个结构基因和调控基因参与[13]。鸡白痢沙门菌不表达鞭毛,从而能够有效避免引发宿主的促炎反应[14]。本研究前期通过功能基因序列分析揭示flgK基因在373 bp处碱基突变形成终止子,导致FliC蛋白翻译过程提前终止[15]flhB基因存在197 bp的片段缺失,推测这两个基因的突变可能导致鸡白痢血清型不能形成鞭毛。进一步的氨基酸序列比对发现鸡白痢FliC蛋白与肠炎沙门菌也存在2~3个不同的氨基酸位点。以鼠伤寒沙门菌FliC蛋白同源建模发现3个氨基酸位点分别位于D1和D2区域。Vonderviszt等[16]研究揭示鼠伤寒沙门菌D1区域是影响鞭毛丝稳定性和多态性构象的主要位置。结构预测显示相邻两个鞭毛单体的D1区域和D2小部分区域形成的凸面和凹面围绕中心轴相互作用形成鞭毛原丝结构[17]。Smith等[8]将D1区域的第84位谷氨酸、第91位精氨酸和第95位亮氨酸突变为丙氨酸后,鼠伤寒沙门菌的运动性基本丧失,而第90位谷氨酰胺、第101位天冬酰胺等突变后并不影响细菌运动性,可见D1区域中存在参与鞭毛空间结构形成的关键氨基酸位点。本研究经氨基酸序列比对发现仅鸡白痢沙门菌FliC蛋白第91位为丝氨酸并且在血清型内高度保守,其他23个不同鞭毛抗原型沙门菌血清型均为精氨酸。将肠炎沙门菌第91位精氨酸置换为丝氨酸后,肠炎沙门菌运动性基本丧失,此结果与Smith等[8]将精氨酸置换位丙氨酸所获得的结果一致,表明第91位精氨酸是维持肠炎沙门菌运动性的关键氨基酸。进一步的透射电镜观察鞭毛形态明确表明R91S突变引起鞭毛形态发生显著变化,揭示鞭毛丝形态和细菌运动性之间存在相关性,鞭毛形态变得钝直,柔韧性下降可能是导致其运动性丢失的主要原因,这与Kanto等[7]的研究结果基本符合,FliC蛋白部分氨基酸位点改变能够直接影响鞭毛丝的形态。沙门菌鞭毛丝由11根鞭毛原丝(protofilament)构成,约3 000个鞭毛蛋白亚基参与组成,鞭毛原丝形态分为L型和R型两种,通过相互切换改变鞭毛形态从而改变运动状态[9]。Wang等[10]解析鼠伤寒沙门菌鞭毛蛋白结构揭示呈纵向排列的两个鞭毛蛋白亚基之间的接触面均位于FliC蛋白N端的α螺旋结构,通过氢键相互作用,参与氢键构成的氨基酸残基突变导致R型鞭毛原丝转变为L型,从而改变鞭毛形态。鼠伤寒沙门菌FliC第91位精氨酸残基参与氢键构成,同源建模揭示肠炎沙门菌FliC第91位精氨酸与鼠伤寒沙门菌具有相似的空间结构位置,R91S突变改变鞭毛形态和细菌运动性可能与鞭毛原丝构象发生变化有关。Zhang等[18]研究表明,鼠伤寒沙门菌FliC蛋白氨基酸序列89—96 aa区域缺失导致TLR5无法识别,至于肠炎沙门菌第91位精氨酸突变为丝氨酸是否影响TLR5受体识别和体液免疫应答反应还需要进一步研究。Hayashi等[9]鉴定了多个新的第2突变位点能够帮助沙门菌的鞭毛丝形态从钝直转变为超螺旋结构,并且第2突变位点均位于D1区域。本研究中发现的第2位点(339位)和第3位点(431位)也是首次鉴定的参与鞭毛形态从钝直转变为螺旋型过程的两个氨基酸位点,3个位点空间结构相互作用使得鞭毛转变为螺旋型。本研究中鉴定出鸡白痢沙门菌fliC基因存在两种形式,遗传进化分析表明,两个基因型鸡白痢菌株位于相关的两个进化分枝,Ⅱ型鸡白痢菌株较Ⅰ型菌株可能发生适应性进化,全基因组序列分析表明,鸡白痢沙门菌毒力和代谢基因可能从祖代菌株914CE产生多样性变异[19]。Ⅰ型和Ⅱ型鸡白痢菌株产生两种不同的运动表型,这与鞭毛形态差异密切相关[20]。沙门菌的鞭毛参与细菌的肠道定植和感染过程[21-22],这与本研究结果揭示的细菌运动性丢失导致肠炎沙门菌对HCT116细胞和RAW264.7细胞的黏附和入侵能力显著下降现象基本符合,BALB/c小鼠的感染试验结果也充分揭示这一现象。综上,本研究揭示了FliC第91位精氨酸是维持肠炎沙门菌鞭毛形态和细菌运动性的关键位点,精氨酸突变改变鞭毛形态,减弱肠炎沙门菌在小鼠体内的定植能力。鞭毛参与细菌的致病过程同时又作为抗原刺激机体产生免疫应答[23-24]

4 结论

肠炎沙门菌FliC蛋白第91位精氨酸在鸡伤寒沙门菌、鼠伤寒沙门菌、甲型副伤寒沙门菌等23个血清型内高度保守,R91S突变能够改变肠炎沙门菌的鞭毛形态,减弱肠炎沙门菌的运动性,细胞黏附入侵能力及小鼠体内定植能力,为肠炎沙门菌的疫苗研发提供理论基础。

参考文献
[1]
TERAHARA N, NAMBA K, MINAMINO T. Dynamic exchange of two types of stator units in Bacillus subtilis flagellar motor in response to environmental changes[J]. Comput Struct Biotechnol J, 2020, 18: 2897-2907. DOI:10.1016/j.csbj.2020.10.009
[2]
MAEDA K, IMAE Y, SHIOI J I, et al. Effect of temperature on motility and chemotaxis of Escherichia coli[J]. J Bacteriol, 1976, 127(3): 1039-1046. DOI:10.1128/jb.127.3.1039-1046.1976
[3]
TSO W W, ADLER J. Negative chemotaxis in Escherichia coli[J]. J Bacteriol, 1974, 118(2): 560-576. DOI:10.1128/jb.118.2.560-576.1974
[4]
SAKAI T, MIYATA T, TERAHARA N, et al. Novel insights into conformational rearrangements of the bacterial flagellar switch complex[J]. mBio, 2019, 10(2): e00079-19.
[5]
YONEKURA K, MAKI-YONEKURA S, NAMBA K. Building the atomic model for the bacterial flagellar filament by electron cryomicroscopy and image analysis[J]. Structure, 2005, 13(3): 407-412. DOI:10.1016/j.str.2005.02.003
[6]
LÓPEZ-YGLESIAS A H, LU C C, ZHAO X D, et al. FliC's hypervariable D3 domain is required for robust anti-flagellin primary antibody responses[J]. ImmunoHorizons, 2019, 3(9): 422-432. DOI:10.4049/immunohorizons.1800061
[7]
KANTO S, OKINO H, AIZAWA S I, et al. Amino acids responsible for flagellar shape are distributed in terminal regions of flagellin[J]. J Mol Biol, 1991, 219(3): 471-480. DOI:10.1016/0022-2836(91)90187-B
[8]
SMITH K D, ANDERSEN-NISSEN E, HAYASHI F, et al. Toll-like receptor 5 recognizes a conserved site on flagellin required for protofilament formation and bacterial motility[J]. Nat Immunol, 2003, 4(12): 1247-1253. DOI:10.1038/ni1011
[9]
HAYASHI F, TOMARU H, FURUKAWA E, et al. Key amino acid residues involved in the transitions of L- to R-type protofilaments of the Salmonella flagellar filament[J]. J Bacteriol, 2013, 195(16): 3503-3513. DOI:10.1128/JB.02091-12
[10]
WANG C, LUNELLI M, ZSCHIESCHANG E, et al. Role of flagellar hydrogen bonding in Salmonella motility and flagellar polymorphic transition[J]. Mol Microbiol, 2019, 112(5): 1519-1530. DOI:10.1111/mmi.14377
[11]
YANG X W, WANG J W, FENG Z Y, et al. Relation of the pdxB-usg-truA-dedA operon and the truA gene to the intracellular survival of Salmonella enterica serovar typhimurium[J]. Int J Mol Sci, 2019, 20(2): 380. DOI:10.3390/ijms20020380
[12]
CUI G L, WANG J, QI X Y, et al. Transcription elongation factor GreA plays a key role in cellular invasion and virulence of Francisella tularensis subsp. novicida[J]. Sci Rep, 2018, 8(1): 6895. DOI:10.1038/s41598-018-25271-5
[13]
APEL D, SURETTE M G. Bringing order to a complex molecular machine: the assembly of the bacterial flagella[J]. Biochim Biophysica Acta - Biomembr, 2008, 1778(9): 1851-1858. DOI:10.1016/j.bbamem.2007.07.005
[14]
SETTA A M, BARROW P A, KAISER P, et al. Early immune dynamics following infection with Salmonella enterica serovars Enteritidis, Infantis, Pullorum and Gallinarum: cytokine and chemokine gene expression profile and cellular changes of chicken cecal tonsils[J]. Comp Immunol Microbiol Infect Dis, 2012, 35(5): 397-410. DOI:10.1016/j.cimid.2012.03.004
[15]
LI J, SMITH N H, NELSON K, et al. Evolutionary origin and radiation of the avian-adapted non-motile Salmonellae[J]. J Med Microbiol, 1993, 38(2): 129-139. DOI:10.1099/00222615-38-2-129
[16]
VONDERVISZT F, AIZAWA S I, NAMBA K. Role of the disordered terminal regions of flagellin in filament formation and stability[J]. J Mol Biol, 1991, 221(4): 1461-1474. DOI:10.1016/0022-2836(91)90946-4
[17]
SAMATEY F A, IMADA K, NAGASHIMA S, et al. Structure of the bacterial flagellar protofilament and implications for a switch for supercoiling[J]. Nature, 2001, 410(6826): 331-337. DOI:10.1038/35066504
[18]
ZHANG L, PAN Z M, KANG X L, et al. Amino acids 89-96 of Salmonella typhimurium flagellin represent the major domain responsible for TLR5-independent adjuvanticity in the humoral immune response[J]. Cell Mol Immunol, 2015, 12(5): 625-632. DOI:10.1038/cmi.2014.76
[19]
HU Y C, WANG Z Y, QIANG B, et al. Loss and gain in the evolution of the Salmonella enterica serovar gallinarum biovar pullorum genome[J]. mSphere, 2019, 4(2): e00627-18.
[20]
HAYASHI F, TOMARU H, OOSAWA K. Analyses of the flagellar filaments of the Salmonella pseudorevertants[J]. Kobunshi Ronbunshu, 2010, 67(12): 666-678. DOI:10.1295/koron.67.666
[21]
MARCHETTI M, SIRARD J C, SANSONETTI P, et al. Interaction of pathogenic bacteria with rabbit appendix M cells: bacterial motility is a key feature in vivo[J]. Microbes Infect, 2004, 6(6): 521-528. DOI:10.1016/j.micinf.2004.02.009
[22]
DE OLIVEIRA BARBOSA F, DE FREITAS NETO O C, BATISTA D F A, et al. Contribution of flagella and motility to gut colonisation and pathogenicity of Salmonella Enteritidis in the chicken[J]. Braz J Microbiol, 2017, 48(4): 754-759. DOI:10.1016/j.bjm.2017.01.012
[23]
WOLFSON E B, ELVIDGE J, TAHOUN A, et al. The interaction of Escherichia coli O157:H7 and Salmonella Typhimurium flagella with host cell membranes and cytoskeletal components[J]. Microbiology, 2020, 166(10): 947-965. DOI:10.1099/mic.0.000959
[24]
HORSTMANN J A, ZSCHIESCHANG E, TRUSCHEL T, et al. Flagellin phase-dependent swimming on epithelial cell surfaces contributes to productive Salmonella gut colonisation[J]. Cell Microbiol, 2017, 19(8): e12739. DOI:10.1111/cmi.12739

(编辑   白永平)