1月11日，中國科學院上海免疫與感染研究所晁彥杰研究員團隊在《美國科學院院刊》（PNAS）上發(fā)表了題為 “An RNase III-processed sRNA coordinates sialic acid metabolism of Salmonella enterica during gut colonization” 的研究論文，揭示了腸道沙門氏菌如何通過非編碼小RNA在轉(zhuǎn)錄后水平協(xié)調(diào)N-乙酰神經(jīng)氨酸代謝過程中不同氨基糖操縱子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的機制。

唾液酸 (Sialic acid) 是一類以九碳糖神經(jīng)氨酸為基本結(jié)構(gòu)的衍生物，生命體中常見的唾液酸為N-乙酰神經(jīng)氨酸 (Neu5Ac)，富集于哺乳動物上皮細胞表面，不僅是許多病毒入侵的受體，也是腸道病原菌如鼠傷寒沙門氏菌的重要碳源。細菌在代謝利用N-乙酰神經(jīng)氨酸的過程中，會產(chǎn)生如N-乙酰葡萄糖胺 (GluNAc)、N-乙酰甘露糖胺 (ManNAc)等多種不同的氨基糖類衍生物，進而作為單糖單元參與合成細胞壁或莢膜多糖等生命大分子。為代謝利用多種不同類型的氨基糖衍生物，細菌進化出了多種對應的操縱子，分別編碼特定的糖質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白和酶來進行代謝。然而，腸道病原菌如何在唾液酸代謝過程中協(xié)同這些不同氨基糖類代謝系統(tǒng)，從而更好地適應腸道環(huán)境、建立感染的協(xié)調(diào)機制尚不清楚。

研究人員通過比較基因組學的方法，在致病性腸道沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)了一個獨特的基因島，含五個功能未知的蛋白和一個潛在的非編碼小RNA。通過AlphaFold結(jié)構(gòu)預測，結(jié)合基因敲除、基因表達檢測、轉(zhuǎn)錄活性檢測、生長曲線測定等手段，研究者發(fā)現(xiàn)該基因島主要負責代謝N-乙酰神經(jīng)氨酸代謝的第一步產(chǎn)物、也是其合成的前體——N-乙酰甘露糖胺，證明這是一個被N-乙酰甘露糖胺激活轉(zhuǎn)錄表達的多基因操縱子。進一步分析該操縱子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其mRNA 3’UTR經(jīng)剪切加工產(chǎn)生一個長約80 nt的新型非編碼小RNA（命名為ManS），并解析了一個全新的小RNA生成機制：核酸酶RNase III通過識別3’UTR雙鏈結(jié)構(gòu)中的“泡”狀結(jié)構(gòu)，對RNA單鏈進行非經(jīng)典的不完全切割而生成小RNA。該機制與晁彥杰研究組前期發(fā)現(xiàn)的RNase E介導的RNA單鏈切割機制相比具有顯著不同 (Chao et al., Mol Cell, 2016; 2017)，可能是一種較為特殊的RNA剪切加工方式。

進一步對該小RNA的生物學功能進行探索發(fā)現(xiàn)，ManS可以通過頭尾兩個富含胞嘧啶和尿嘧啶的種子區(qū)域（R1/R2），與不同的、主要參與細菌碳源和氨基酸代謝的編碼基因mRNA上的核糖體識別區(qū)域結(jié)合，從而阻擾翻譯的開始以抑制其表達。ManS可以通過調(diào)整自身的表達量、產(chǎn)生不同大小的加工產(chǎn)物，在不同碳源環(huán)境下對其靶基因進行選擇性調(diào)控，從而協(xié)調(diào)細菌在N-乙酰神經(jīng)氨酸代謝過程中產(chǎn)生的不同代謝產(chǎn)物所激活的通路，協(xié)助腸道沙門氏菌在宿主體內(nèi)更好地定植以建立感染。因此，本研究不僅發(fā)現(xiàn)了一個新的原核細菌mRNA衍生為非編碼RNA的加工方式，闡明了細菌如何在轉(zhuǎn)錄后水平協(xié)調(diào)不同代謝通路的產(chǎn)物生成的機制，也發(fā)現(xiàn)了N-乙酰神經(jīng)氨酸的合成前體物質(zhì)——N-乙酰甘露糖胺在腸道病原菌定植與感染過程中的重要作用。

圖：腸道沙門氏菌非編碼小RNA ManS協(xié)同N-乙酰神經(jīng)氨酸代謝過程中不同氨基糖代謝通路的示意圖。來源于環(huán)境中或N-乙酰神經(jīng)氨酸代謝產(chǎn)生的N-乙酰甘露糖胺激活腸道沙門氏菌特異基因島STM1127-STM1131的表達。核酸酶RNase III通過識別來自于該基因島的轉(zhuǎn)錄本STM1129-STM128 mRNA末端的雙鏈區(qū)域的“泡”狀結(jié)構(gòu)進行不完全切割，產(chǎn)生ManS的前體并進一步被其它核酸酶加工成不同大小。ManS通過兩個調(diào)控區(qū)域（紅色標記）來對N-乙酰葡萄糖胺等代謝通路進行選擇性調(diào)控。

原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2414563122

中國科學院上海免疫與感染研究所晁彥杰研究員、復旦大學基礎(chǔ)醫(yī)學院病原生物學系王川副教授為文章的共同通訊作者。研究所與復旦大學聯(lián)合培養(yǎng)研究生陳梓瀅、復旦大學基礎(chǔ)醫(yī)學院研究生楊耀梅為文章共同第一作者。該研究受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金、中國科學院B類先導等科研項目的資助。

【研究組簡介】

微生物RNA系統(tǒng)生物學研究組（負責人：晁彥杰研究員）以人體重要病原菌和共生菌為研究對象（如腸道沙門菌、肺炎克雷伯菌等），利用獨特的高通量測序技術(shù)和功能基因組實驗方法，系統(tǒng)鑒定新型的非編碼小RNA、RNA結(jié)合蛋白并解析其功能與機制，加深對微生物感染致病、耐藥持留、宿主互作和共生機制的認識。課題組主持承擔多項國家級人才與科研項目，在Nature, Mol Cell, Nature Comm, PNAS, EMBO J, EMBO Mol Medicine, Trends in Microbiol, Emerging Microb & Infections等國際期刊發(fā)表30多篇高水平論文，引用超過7000次，歡迎有志青年加入開展博士后研究工作。