沙门氏菌生物菌膜形成的分子调控研究进展

食源性致病菌是危害公众健康和食品安全的主要因素，全球范围内的污染调查结果显示，在所有食源性致病菌中，沙门氏菌每年引发的食物中毒事件数量位居首位。污染溯源结果显示大量的微生物污染主要来源于交叉污染，存活于食品加工设备表面的黏附细菌和生物菌膜是引起交叉污染的源头和传播中心。生物菌膜是细菌黏附行为最为突出的表现，也被称为生物膜或生物被膜，指菌体吸附于固体材料表面（如食品加工设备中的不锈钢、塑料和玻璃等），并通过增殖、分泌胞外基质而形成的具有一定空间结构的细菌群体。相比于浮游态，黏附菌体对食品消毒剂的抵抗性提高了成百上千倍，并可促进毒力和耐药基因在细菌种属间的水平转移，对食品安全具有重大危害。

南京农业大学 肉品加工与质量控制教育部重点实验室的王虎虎、何淑雯、胡海静等人在阐述黏附辅助体（菌毛和鞭毛）和胞外多聚物（EPS）对生物菌膜形成的具体作用基础上，重点论述了mRNA和非编码小RNA（sRNAs）对生物菌膜形成的调控途径、机制和作用模式。

1、生物菌膜的mRNA调控通路

鞭毛调控

浮游菌首先与接触物表面接触实现初始黏附，进而形成生物菌膜，此过程主要由鞭毛介导的移动性主导，菌体可通过鞭毛的牵引作用克服排斥力后移动至接触物表面，这是细菌黏附的先决条件。鞭毛由基体、鞭毛钩和鞭毛丝3 个部分组成。根据鼠伤寒沙门氏菌的鞭毛调节基因模型，在转录层面的鞭毛操纵子分为3 类，第1类仅包含flhDC 1 个操纵子，第2类包含7 个操纵子（flgA、flgB、flhB、fliA、fliE、fliF和fliL），均受第1类操纵子的正调控，第3类包含至少5 个操纵子（flgK、tar、motA、fliC和fliD）。鞭毛操纵子的顺序表达与鞭毛结构的组装过程相关联，所有与钩体组装有关的基因都属于第2类，而与丝体组装有关的基因都属于第3类。

菌毛调控

I型菌毛是肠杆菌科中常见的一种黏附细胞器，主要负责与宿主细胞的首次接触以及宿主与病原体间的相互作用。I型菌毛可通过I型黏附素FimH与接触物表面之间的相互作用，非特异性地附着于多种接触物表面，在生物菌膜形成的早期阶段发挥重要作用。肠炎沙门氏菌的I型菌毛参与菌体对不锈钢或聚四氟乙烯等表面的黏附。IV型菌毛是常见的细菌表面附属结构，IV型菌毛通过聚合而伸长，通过解聚而回缩，其长度是动态变化的，该特性对于细菌在接触物表面的定植具有重要作用。在回缩过程中，当IV型菌毛附着到接触面时，会向该接触面施加非常大的力，该力可以触发细菌的蹭行移动，实现细菌在接触物表面的移动。

EPS调控

胞外基质是生物菌膜的另一重要组分，主要由EPS构成，根据具体功能，不同的EPS可被划分为结构性、吸附性、表面活性和信息性等多种类型。EPS在生物菌膜形成中的主要作用包括但不限于：1）浮游菌与基质接触时，通过分泌EPS可实现迅速而牢固的黏附；2）局部的EPS分泌会引起细菌的滑动，允许其趋向更佳的生长条件或与其他微生物获得联系；3）细菌在胞外分泌大量的EPS，有利于生物菌膜稳定；4）生物菌膜成熟后，EPS的持续产生能将部分细胞推离接触物表面，使其进入流动相并脱离生物菌膜。

其他调控通路

RpoS（σ S ）是一种细菌系统调控元件，调控着500多种与稳定期生长和胁迫响应关联的基因，可为生物菌膜中的菌体提供强大的保护。c-di-GMP是细菌体内一类重要的第二信使，它是三磷酸鸟苷在二鸟苷酸环化酶、磷酸二酯酶等物质生化反应下的最终产物，该信号分子通过与关联蛋白（CsgD、BcsA和AdrA等）结合改变活性方式，促进菌毛和菌体纤维素的形成或抑制菌体移动性从而参与生物菌膜的形成调控。除上述通路外，沙门氏菌内还存在phoP/Q、csrA-barA/sirA、csr和Rcs等与菌体黏附行为有关的其他辅助调控通路，这些通路通过影响菌体的黏附潜能、移动性能、外膜蛋白、抗应激能力、二级代谢、EPS和细菌趋向性等途径调控生物菌膜形成。

2、sRNA对生物菌膜的调控效应

sRNA简介

sRNAs是近年来在原核生物中发现的一类新型转录后调控因子，广泛存在于沙门氏菌等食源性致病菌中。sRNA的长度介于50～500 nt之间，在基因组中被转录但不翻译蛋白质，其转录通常始于可折叠形成稳定茎环结构的基因序列，终止于Rho不依赖的转录终止子。sRNAs主要通过两种方式发挥调控作用：1）通过“碱基互补配对”的方式抑制靶mRNA的翻译或降解，该过程通常需要伴侣蛋白Hfq的参与协助，这也是sRNA最主要的调控方式；2）通过模仿核酸结构调控靶标蛋白质活性，sRNAs竞争性结合调控蛋白（RNA结合蛋白）的靶标mRNA，抑制靶标蛋白的功能发挥。

sRNA对移动性的调控

细菌的移动性在生物菌膜形成的早期发挥重要作用，Kearns将细菌移动划分为丛动、泳动和蹭行等多种方式。上述移动方式主要由鞭毛和菌毛等器官提供动力。目前，已有诸多研究表明sRNA参与了沙门氏菌移动性的调控。在鼠伤寒沙门氏菌中，sRNA SroC能够通过下调flhBAE和fliE基因的表达以调节鞭毛的合成，且SroC过表达的野生株呈现出了非鞭毛表现型。Ryan等发现sRNA DsrA的缺失降低了鼠伤寒沙门氏菌的移动性能，并指出DsrA可能具有上调鞭毛结构蛋白基因fliC和fljB的作用。同时研究发现参与运动性和趋化性的3 个基因（flgJ、cheY和fliF）的转录受sRNA RyhB同源物RyhB-2下调。另外sRNA McaS可通过与flhD 5’-UTR中的两个区域结合而直接激活鞭毛合成的主要转录调节因子flhDC mRNA，从而导致细菌运动性的增强。

sRNA对EPS的调控

csgD是控制生物菌膜形成的核心转录因子，能够诱导产生卷曲菌毛和纤维素以及调控c-di-GMP所需的csgBAC操纵子的表达。csgD的表达在转录后层面至少受到5 个Hfq依赖型sRNA的调控，分别为OmrA、OmrB、GcvB、McaS和RprA，均能与csgD mRNA的5’非编码区（长约150 nt）发生碱基互补配对，通过封闭核糖体结合位点、干扰翻译起始因子而发挥阻遏作用。这些sRNA分别属于不同的调节子，并且在不同的生长条件下表达。

sRNA对其他核心通路的调控

在σ S 控制的一般应激反应的诱导中，DsrA、ArcZ和RprA 3 种sRNA起到了重要作用。其中，DsrA决定了当细胞处于低温（＜25 ℃）或暴露于高渗透压时RpoS的累积及其活性的保持。RprA由Rcs激活，能直接抑制包括鞭毛合成基因在内的其他基因；渗透压升高也可诱导Rcs系统，在DsrA缺失的情况下，RprA能够在渗透压冲击条件下激活rpoS的翻译；并且，RprA激活的rpoS翻译有助于确保生物菌膜成熟过程中RpoS的正确定时表达。ArcZ由双组分系统ArcB/ArcA负调控，ArcZ从最初120 nt转录本的3’末端被加工成56 nt的RNA，56 nt的ArcZ可与rpoS发夹配对，采用与DsrA和RprA类似的方式激活rpoS翻译；在有氧条件下，ArcZ表达良好，但在无氧条件下，ArcA抑制ArcZ表达，从而间接地下调rpoS翻译。

sRNA对生物菌膜的调控模式

黏附行为是沙门氏菌应对外源环境胁迫而常采取的一种自我保护性行为，同时也是发挥菌体侵袭毒性的先决基础。以沙门氏菌和大肠杆菌为代表的肠杆菌科sRNAs主要通过以下4 种模式发挥其对黏附行为的调控作用（图2）。

结 语

沙门氏菌生物菌膜广泛存在于食品工业中，揭示其形成过程和影响因素是研发针对性控制措施的先决基础。本文在总结前人研究发现的基础上，从决定细菌生物菌膜形成过程中最为重要的两个因素——黏附辅助体（菌毛和鞭毛）和EPS入手，系统论述了其在黏附过程中的详细作用，及其在mRNA转录层面上以csgD、flhDC、rpoS等为核心的调控通路，并重点在转录后层面上阐述了sRNA对鞭毛组装和胞外分泌物调控的作用模式。纵观目前的研究进展以及生物菌膜与食品工业的关系，在该领域今后的研究中需重点关注：1）阐明特定食品加工和贮藏环境对沙门氏菌生物菌膜形成的影响，尤其是在外源物理和化学应激条件下的形成过程；2）借助现代组学技术，在转录、转录后等水平上挖掘更多、更详尽的生物菌膜调控通路，尤其是针对全球范围内沙门氏菌污染高、毒性强的血清型；3）解析生物菌膜中关键组分的相互作用及其对黏附体空间特征结构的维持效应；4）利用现代微观成像和示踪技术可视化解析沙门氏菌的黏附与生物菌膜形成过程。

本文《真空预冷及不同流通方式对上海青货架品质的影响》来源于《食品科学》2021年42卷13期259-264页，作者：王虎虎，何淑雯，胡海静，白云，邵良婷，徐幸莲。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200719-251。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网

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