The transcription factors ActR and SoxR differentially affect the phenazine tolerance of Agrobacterium tumefaciens

轉錄因子ActR和SoxR差異性地影響農桿菌對phenazine的耐受性

來源：Molecular Microbiology, Volume 112, Issue 1, 2019, Pages 199-218

《分子微生物學》，第112卷，第1期，2019年，199-218頁

 

摘要

土壤細菌在土壤環境中經常會遇到氧化還原活性化合物，例如吩嗪類物質，這些化合物能夠引發氧化應激反應，但不同細菌物種耐受這些化合物的具體機制目前尚未完全明確。本研究在土壤農桿菌（Agrobacterium tumefaciens）中發現兩個轉錄因子ActR和SoxR，它們在對吩嗪的耐受性中發揮著截然不同但又互補的作用。ActR通過主動促進能量效率更高的末端氧化酶的表達，同時抑制效率較低的替代氧化酶，來增強對吩嗪的耐受能力，這一機制可能影響吩嗪從電子傳遞鏈中提取電子的速率，從而減少活性氧的生成。另一方面，SoxR則通過誘導多種外排泵和氧化還原相關基因的表達來響應吩嗪脅迫，這些基因包括超氧化物歧化酶的一個拷貝以及五個新發現的調控子成員，這些成員無法通過計算方法預測。值得注意的是，在低濃度吩嗪條件下，ActR的缺失比SoxR的缺失對細菌的損害更大，并且會增加對原本功能冗余的SoxR調節的超氧化物歧化酶的依賴性。這些結果表明，細菌電子傳遞鏈的組成可能是決定其對氧化還原活性化合物敏感或耐受的關鍵因素。

 

研究目的

研究目的是識別在Agrobacterium tumefaciens中對phenazine耐受性必要的基因，并理解轉錄因子ActR和SoxR的機制，特別是它們如何差異性地影響對pyocyanin（PYO）和其他redox-active molecules的耐受性，以揭示土壤細菌應對氧化應激的策略。

 

研究思路

研究思路通過轉座子誘變篩選對PYO敏感的突變體，從約5000個突變體中識別出12個敏感突變體，并聚焦于actR和soxR突變體。使用體外缺失突變體（△actR和△soxR）進行生長實驗，比較它們對多種redox-active molecules的敏感性。通過RNA-seq和qRT-PCR分析轉錄組，鑒定SoxR regulon和ActR調節的基因。測量氧消耗率、ATP水平、NADH/NAD+比率等生理參數，以評估ETC效率和氧化應激響應。使用丹麥Unisense電極測量溶解氧濃度，以量化呼吸速率。

 

測量的數據及研究意義

1 生長曲線數據：來自Fig. 1和Fig. 2。顯示△actR在低濃度PYO（10μM）下就敏感，而△soxR僅在 high concentration（200μM）下敏感。研究意義在于表明ActR在基礎耐受中更重要，而SoxR在高應激下才關鍵。

 

 

2 基因表達數據：來自Fig. 3和Fig. 4。通過qRT-PCR和RNA-seq，顯示SoxR調節多個基因（如sodBII、mexEF等），包括新發現的 cryptic members。ActR缺失導致cyo operon下調 and cyd operon上調。研究意義在于揭示SoxR regulon的擴展和ActR對ETC組成的調節，影響耐受性。

 

 

3 氧消耗率數據：來自Fig. 6A。使用Unisense OX-500微電極測量，顯示WT和△actR在有無PYO下的氧消耗率相似。研究意義在于表明呼吸速率不變，但ETC效率可能不同，影響ATP合成。

 

4 ATP水平數據：來自Fig. 6C。顯示△actR和△cyo突變體ATP水平降低，PYO處理進一步降低ATP。研究意義在于證實ActR通過調節ETC影響能量守恒，耐受性依賴足夠的ATP用于防御機制。

5 SOD依賴性數據：來自Fig. 6D。顯示△actR缺失增加對SoxR調節的sodBII的依賴。研究意義表明ActR缺失導致更多超氧化物產生，需要SOD保護。

 

結論

1 ActR通過調節ETC組成（如促進cytochrome o oxidase）來預先緩解phenazine毒性，提高能量效率，減少ROS生成。

2 SoxR通過誘導外排泵、SOD和其他氧化還原基因來響應phenazine應激，但功能冗余，僅在 high concentration 下關鍵。

3 ETC組成是耐受redox-active compounds的主要決定因素，ActR的 proactive 調節比SoxR的 inducible 響應更基礎。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense OX-500微電極測量溶解氧濃度，用于量化氧消耗率（Fig. 6A）。研究意義在于直接評估phenazine對細胞呼吸的影響。測量顯示WT和△actR在有無PYO下的氧消耗率相似，表明呼吸速率未顯著改變，但結合ATP數據，提示ETC效率降低（如質子泵送效率差），導致ATP合成減少。這支持了ActR通過優化ETC組成來維持能量穩態的機制，從而增強耐受性。