摘要

腸道的生物地理學在縱軸以及特定微環境中具有多樣性。差異化的氧合和營養組成驅動了這些生境中微生物群落的組成。此外，腸道病原體可以協調進一步的修飾以獲得宿主定植的競爭優勢。這些病原體在利用人類結腸時表現出多才多藝和熟練性。它們熟練地導航復雜的環境線索和跨王國信號以定植和感染宿主。本文我們展示了腸出血性大腸桿菌（EHEC）如何利用三種糖感知轉錄因子Cra、KdpE和FusR，在不同氧氣濃度下精細調控與其III型分泌系統（T3SS）相關的毒力因子表達。我們還探討了黏蛋白衍生的非偏好碳源對EHEC生長和毒力基因表達的影響。綜合來看，結果表明EHEC在缺氧條件下（模擬基本厭氧的腸腔）抑制其T3SS表達，并通過Cra在氧氣可用時激活T3SS。此外，當EHEC感知到大量存在于大腸桿菌O連接和N連接聚糖中的黏蛋白衍生糖時，毒力基因表達啟動。果膠（一種在大腸中消化的復雜植物多糖）衍生的糖也增加了毒力基因表達。EHEC不僅感知宿主和微生物群衍生的跨王國信號，還利用氧氣可用性和微生物群釋放的黏蛋白衍生糖刺激T3SS表達。這種基因調控的精確性使EHEC成為一種高效病原體，具有極低的感染劑量。

引言

腸道病原體在解釋多種環境線索以成功在復雜多樣的腸道微環境中建立自身時必須巧妙。氧張力差異和營養組成決定了腸道微生物群的生物地理學，并為腸道病原體提供了可exploited的獨特生態位。EHEC是一種定植于結腸并通過污染食物和水傳播的腸道病原體，在全球引起血性腹瀉和溶血性尿毒癥綜合征的爆發。由于其極低的感染劑量（<100個細胞），EHEC是一個嚴重的公共衛生問題。因此，本文我們顯示EHEC感知多種糖源和氧氣水平以最優控制其毒力庫的表達。這種精細的調控控制使EHEC能夠感知不同的腸道區室以定植宿主。

胃腸道（GI）道是一個復雜多樣的生態系統，在不同微生境中棲息著特征性的微生物群落。細菌代謝和氧氣可用性在這些群落的定位和組成中起關鍵作用。此外，腸道病原體的感染可以改變環境景觀以favor病原體擴張。腸道病原體在已經高度定植微生物群的GI道中成功建立依賴于其如何積極地獲取營養和感知化學信號。腸道病原體必須精確協調毒力因子的表達。感知哪些營養可用允許細菌確定其在GI道內的位置。GI黏液層由80%碳水化合物組成的黏蛋白構成。黏蛋白作為GI道的路標，因為特定黏蛋白沿腸道區域定位。微生物群產生不同糖苷酶釋放的黏蛋白糖提供了一個獨特的營養環境。因此，將毒力基因表達與營養可用性耦合是病原體精確控制何時何地部署其毒力庫最優表達的一種方式。

腸出血性大腸桿菌（EHEC）定植于人類結腸，并通過污染食物和水傳播。由于其低感染劑量（<100個細胞），EHEC是一個嚴重的公共衛生問題。臨床癥狀范圍從水樣、血性腹瀉到常致命的溶血性尿毒癥綜合征（HUS）。其毒力武器庫包括腸細胞脫落位點（LEE），這是一個包含41個基因的致病性島，組織成五個主要操縱子。LEE編碼一個III型分泌系統（T3SS）、一個黏附素（intimin）及其受體（Tir）、效應蛋白和一個主調節器Ler（用于激活LEE基因）。LEE基因是EHEC定植腸道所必需的，因為LEE基因表達導致腸細胞上附著和脫落（AE）病變的形成。這些AE病變負責宿主細胞骨架的動態重塑以形成細菌下方的pedestal樣結構。

LEE基因表達受涉及宿主激素（腎上腺素和去甲腎上腺素）和巖藻糖的跨王國化學信號調控。激素信號被細菌腎上腺素能受體QseC和QseE感知，而FusK感知巖藻糖。QseC、QseE和FusK是組氨酸傳感器激酶（HKs）。在感知各自信號后，這些HKs發生自磷酸化以啟動特定響應調節器（RRs）的磷酸化。QseC和QseE都可以磷酸化RR QseF；然而，QseC也可以磷酸化QseB和KdpE。FusK有一個已證明的RR，FusR。這些雙組分系統相互連接，因為QseB和QseF抑制fusK和fusR的轉錄。

QseC、QseE和FusK之間的交叉對話很重要，因為它們差異調控LEE基因表達。在QseC磷酸化KdpE后，KdpE與Cra（碳代謝基因的全局調節器）協同在糖異生條件下通過直接結合ler啟動子激活所有LEE基因的表達。在糖酵解條件下，KdpE和Cra不激活LEE基因表達。相反，FusR在感知巖藻糖后抑制LEE基因轉錄。感知與黏蛋白衍生糖相關的糖濃度對于EHEC促進毒力至關重要，fusK、kdpE和cra突變體在哺乳動物感染中減弱。EHEC感知當糖在腸腔中更豐富或更接近腸細胞時更少（糖噬菌群缺失的地方）創建了一個糖異生環境，有更多宿主激素存在。檢測糖濃度變化為EHEC提供了一種避免過早表達LEE基因的方式，LEE基因應僅在與腸細胞界面表達。

在本研究中，我們的目標是確定Cra、KdpE和FusR之間存在多少交叉對話，給定它們在LEE基因表達調控中的差異作用。此外，由于氧氣可用性也是代謝的關鍵調節器，我們研究了氧氣可用性如何影響Cra、KdpE和FusR對LEE基因表達的調控。我們還評估了不同黏蛋白衍生糖在有限氧氣條件下對EHEC生長和LEE編碼的T3SS分泌的EspB分泌的作用。