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丁香酚对金黄色葡萄球菌全基因组转录水平的影响研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 亿亏与生物互程2008,Vol 25 No 6 Chemistry&Bioengineering 田 丁香酚对金黄色葡萄球菌全基因组转录水平的影响研究 梅 妹 ,向 华 ,邓旭明 ,于 录 ,张 亮 一,王大成 (1.吉林大学畜牧兽医学院,吉林长春130062;2.生物芯片北京国家工程研究中心,北京102206; 3.博奥生物有限公司,北京102206) 摘 要:通过分析亚抑制浓度的丁香酚对金黄色葡萄球菌全基因组表达谱的影响,研究了丁香酚的抗茵作用机制。用 丁香酚(250“g・mL )处理金黄色葡萄球菌ATCC25923细胞45 rain后,应用Affymetrix金黄色葡萄球菌基因芯片检测全 基因组表达谱的变化。共有338个基因受到诱导,440个基因受到抑制,其中包括100个转运子基因、45个与蛋白质合成有关的 基因和32个毒力基因。丁香酚还抑制了大多数与细胞壁有关的基因和编码sortase酶的基因SA0982(srtB)以及Isd基因。 结果表明,丁香酚是通过同时调节多途径相关基因表达,尤其是调节与转运、信号途径和毒力相关的基因表达来实现抗茵作用。 关键词:金黄色葡萄球菌;丁香酚;基因芯片;基因表达谱 中图分类号:R 284 文献标识码:A 文章编号:1672—5425(2008)06—0041—05 丁香是桃金娘科植物丁香(Eugenuia caryophyl— 42株临床金黄色葡萄球菌从吉林大学第一医院 lata Thumb)的干燥花蕾,性温,味辛,归脾、胃、肺和胃 分离,标准菌株ATCC25923购自中国医学微生物菌 经,用于治疗脾胃虚寒、呃逆呕吐、食少吐泻、心腹冷 种保藏管理中心(CMCC),肉汤培养基(MHBⅡ)和肉 痛、肾虚阳痿等口],其主要成分为丁香酚(Eugeno1),即 汤琼脂培养基(MHA)购自杭州天和微生物试剂有限 4一烯丙基-2-甲氧基苯酚I2]。现代药理学研究表明,丁 公司,丁香酚(110725—2O0610)购自中国药品生物制品 香酚对金黄色葡萄球菌、福氏痢疾杆菌、大肠杆菌等细 检定所,金黄色葡萄球菌全基因组芯片S.aureus Ge— 菌l3“ 以及常见的皮肤癣菌[5 具有较好的抑制作用。 neChip 购自美国Affymetrix公司。 但其作用机制有待进一步阐明。 1.2药敏实验 中药及其活性成分在临床抗感染治疗中有着广泛 根据NCCLS标准,测定丁香酚对上述43株金黄 的应用,深人研究其作用机制对指导临床合理用药和 色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)。 进一步的开发具有重要意义。应用芯片转录谱技术对 1.3 丁香酚处理金黄色葡萄球菌 抗菌药物作用分子机理进行研究,一方面有可能揭示 金黄色葡萄球菌ATCC25923在10 mI 肉汤培养 细菌抗药性的确切机制,另一方面可以发现细菌生存 基上,于37℃、200 r・min 过夜培养。取250 mL锥 所必需的基因,从而为开发新的抗菌药物及疫苗提供 形瓶6个,每个加100 mL肉汤培养基和1 mL过夜培 重要的依据l7 ]。Wang等口 采用基因芯片转录谱技 养物,于37 oC、200 r・min 条件下培养至0D。。。一 术研究了临床常用中药单体成分小檗碱的抗菌作用机 0.3。取用二甲基亚砜(DMSO)溶解的丁香酚加人其 制。 中3个锥形瓶中,至终浓度为250 g・mL 、DMSO 作者在此采用基因 片转录谱技术分析金黄色葡 终含量为1 。其余3个锥形瓶只含有1 DMSO作 萄球菌在亚抑制浓度的丁香酚作用后的全基因组表达 为空白对照。所有菌液(包括实验组和对照组)于 谱的变化,首次在基因组规模的水平上对丁香酚的抗 37℃进一步培养45 min。 菌作用机制进行了探讨。 1.4基因表达谱检测 1 实验 操作过程参见Affymetrix公司操作手册(Affy— metriX Expression Analysis Technical Manual;Affy— 1.1 材料 metrix,Inc.,Santa Clara,Calif);各组基因差异表达用 基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2006BAD31B05) 收稿日期:2008—01—28 作者简介:梅妹(1974--),女,辽宁沈阳人,硕士研究生,研究方向:天然产物化学成分及药理活性研究;通讯联系人:王大成,博士, 讲师。E mail:wdc9928@yahoo.com.cn。 维普资讯 http://www.cqvip.com

囝 梅 妹等:丁香酚对金黄色葡萄球菌全基因组转录水平的影响研究/2008年囊6期 1000雎g・mL一,对标准菌株ATCC25923的MIC为 500 g・mL一。用250 g・mL 丁香酚处理金黄色 Affymetrix公司Genespring 6.2软件分析。将3次 的实验数据标准化,当Ratio≥2或Ratio≤0.5时,认 为该基因发生显著变化。 葡萄球菌ATCC25923 45 min后,表达差异在2倍以 上的基因共有778个,其中有338个基因表达受诱导, 440个基因表达受抑制。受到诱导和抑制作用的基因 的功能分类见图1。 2结果与讨论 丁香酚对43株金黄色葡萄球菌的MIC为100~ J 一一 . 口|l J一 I|一一J J 一 雪 目 图1 受丁香酚影响的基因的功能分类 Fig.1 Eugenol—responsive genes grouped by functional classification 其中100个转运子基因受到丁香酚不同程度的调 同程度的。在48个依赖于ATP的转运子基因中 47个与ABC家族有关;42个次级转运子基因中,有 13个与MFS家族相关。另外假定转运子基因 SA2142、SA2203、SA0099、SA1982和SA2233均上 控,包括48个依赖于ATP的转运子基因、42个次级 转运子基因、3个磷酸转移酶系统(PTS)基因、1个离 子通道基因。 118个与信号途径相关的基因受到丁香酚的影 调表达。由此可以看出丁香酚是金黄色葡萄球菌多药 耐药泵的底物。 2.2丁香酚影响的信号途径基因 响,包括4O个与RNA合成有关的基因、13个与RNA 修饰有关的基因、45个与蛋白质合成有关的基因、2个 与DNA复制有关的基因、12个与DNA修饰有关的 基因、6个与DNA重组相关的基因。 共有118个与信号途径相关的基因受到丁香酚的 影响。在信号途径相关基因中与蛋白质合成途径有关 的基因无疑是最为重要的一类。与蛋白质合成途径有 关的基因通常分为5类,分别是核糖体蛋白相关基因、 14个与细胞壁有关的基因受到丁香酚的,其 中4个基因受到诱导、1O个基因受到抑制。 32个毒力基因和二元系统(TCSs)基因受到丁香 酚的影响,24个下调。 氨酰一tRNA合成酶相关基因、起始相关基因、延伸相 关基因和终止相关基因。 另外丁香酚还抑制了编码sortase酶的基因和 Isd基因以及其它未知功能的基因。 2.1丁香酚影响的转运子基因 有45个与蛋白质合成有关的基因受到影响,其中 4个受到诱导、41个受到抑制;有2O个编码核糖体蛋 白的基因受到影响,其中2个受到诱导、18个受到抑 外输泵对药物的外排作用是细菌耐药机制之 一制;有19个编码氨酰一tRNA合成酶的基因受到影响, _1 。细菌主动外排系统的膜蛋白主要分为4类: 只有编码肽酰一tRNA水解酶的基因pth被诱导,其余 18个基因均被抑制;与起始有关的基因infC下调;与 延伸有关的基因ssrP和SA0959均下调;与终止有关 的基因户r 和prfC被抑制。 MFS家族(Major facilitator super family)、ABC家族 (ATP—binding cassette transporters)、SMR家族 (Staphylococal multidrug resistance family)和RND 家族(Resistance—nodulation division family)。本实验 结果与前两类家族有关。 本实验中。共有100个转运子基因受到丁香酚不 丁香提取物与喹诺酮类、青霉素类、红霉素类联合 应用于金黄色葡萄球菌、阴沟杆菌、产酸杆菌、产H:S 杆菌、氟劳地杆菌,彼此间无相互影响,而与氨基糖苷 维普资讯 http://www.cqvip.com 梅妹等:丁香酚对金黄色葡萄球菌全基因组转录水平的影响研究/2008年第6期 固 类抗生素庆大霉素、卡那霉素联合应用,则显现出明显 黄色葡萄球菌在鼠的模型中显示不出毒力 。本实 验结果表明,dltA和dltC均受到抑制,则可能会使 丙氨酰缺失,引起细胞表面电荷的改变,从而使金黄色 的拮抗作用,此作用在一定范围内随着两药物浓度的 增大而加强。由此推测,丁香提取物的抗菌机理可能 是与氨基糖苷类竞争性抑制蛋白质的合成过程口 。 大多数与蛋白质合成有关的基因表达均受抑制,与文 献结论基本相符,表明影响与蛋白质合成相关基因的 葡萄球菌的毒力下降。 因此,丁香酚可能通过干扰金黄色葡萄球菌细胞 壁多糖的生物合成和改变细菌表面电荷使其毒力下 表达是丁香酚主要抗菌作用机制之一。 2.3丁香酚影响的与细胞壁有关的基因 共有14个与细胞壁有关的基因受到丁香酚的调 控。其中受到诱导的基因包括SA0875、SA0205、 SA2230和SA2441;受到抑制的基因包括SA0423、 SA2288(gtaB)、SA2354、SA0795(dltC)、SAO793(dl— tA)、SA1103(upps)、SAO423、SALO25(taraY) SA1708和SALO24(pbpA)。 受到抑制的基因upps是编码十一异戊烯焦磷酸 盐(UPP)合成酶的基因,UPP合成酶能产生十一异戊 烯焦磷酸盐,它含有一个顺式和反式混合的类异戊二 烯链l_】 。UPP是一种在细菌中将糖转移以合成细胞 壁上的多糖的脂类载体。而UPP合成酶是异戊烯转 移酶的一种,是合成类异戊二烯的必需酶。 受抑制的基因pbpA编码青霉素结合蛋白1 (PBP1)。PBPs是参与细菌细胞壁肽聚糖生物合成的 酶,它的正常存在是细菌保持正常形态及功能的必需 条件,青霉素等抗生素正是通过与PBPs结合,抑制细 菌细胞壁的生物合成,引起细菌细胞死亡,从而发挥杀 菌作用。PBPs由此成为 内酰胺类抗生素的靶标。 对甲氧西林敏感的金黄色葡萄球菌(MSSA)有4个 PBPs,即PBP1、PBP2、PBP3和PBP4。文献报道 pbpA基因对MSSA的生长是必需的,其编码的PBP1 与肽聚糖隔膜的合成有关_1 。PBP2在金黄色葡萄球 菌的肽聚糖的代谢中起重要作用 。本实验中,编码 PBP2的基因未发生变化。 SAO795(dltC)和SAO793(dltA)均受到显著抑 制。dltC是编码r)-丙氨酰载体蛋白的基因,dltA是 编码D一丙氨酸一D一丙氨酰的载体的连接酶的基因。脂 膜酸(I TA)存在于大多数革兰氏阳性菌中,其D一丙氨 酰化使革兰氏阳性菌得以其表面的电荷,进而调 控配体结合。对革兰氏阳性菌脂膜酸生物合成相关基 因研究表明,其r)-丙氨酰化需要dltA、dltB、dltC和 dltD基因编码的蛋白[153。这些基因失活会导致脂膜 酸中D一丙氨酰酯的缺失,从而引起其细胞表面电荷的 改变。已有研究报道,D一丙氨酰残基结合到脂膜酸上 对于单核细胞增多性李司忒菌和金黄色葡萄球菌的毒 力很重要 。缺少D一丙氨酰化的脂膜酸突变体的金 降,从而发挥抗感染作用。 2.4丁香酚影响的毒力因子和二元系统(TCSs)基因 在金黄色葡萄球菌中,细胞外毒力因子包括表面 粘附素、荚膜多糖、胞外细胞毒素、肠毒素、脱氧核糖核 酸酶和蛋白酶。共有32个毒力基因受到丁香酚的影 响,多数下调,包括葡萄球菌核酸酶(SAO746)、细胞表 面蛋白(isdA)、凝集因子B(clfB)、丝氨酸蛋白酶(55- pA)、丝氨酸蛋白酶HtrA(htrA)、IgG一结合蛋白SBI (sbi)、gamma-溶血素(hlgA、hlgB、hlgC)、纤维蛋白 原结合蛋白(SA1000、sdrD、sdrE)和甘油酯水解酶 (geh)等基因。 有研究表明[1 ,对细胞壁有影响的亚抑制浓度抗 生素(如 内酰胺和糖肽等)可刺激金黄色葡萄球菌外 毒素的释放。而对蛋白质的合成有抑制作用的抗生素 (如氯林可霉素和利萘唑胺等)抑制了很多葡萄球菌胞 外蛋白的合成,包括毒力因子口引。一般来说,被抗生 素诱导的外毒素的释放能增强与金黄色葡萄球菌相关 的毒力综合症和促炎症反应的宿主应答,而外毒素表 达的下调则引起毒力的显著下降E2oJ。丁香酚抑制了 大量的毒力因子,因此可用于临床金黄色葡萄球菌毒 力综合症的治疗。 金黄色葡萄球菌毒力因子的表达受基因网络 的控制,主要包括二元系统(TCSs)和小转录 子_2 。有一些TCSs基因受到丁香酚的影响,如gZ— nA、sarR、SA2418、SA0342和lytR等均下调,这表明 不同的毒力因子相应地受到二元信号转导系统和转录 子的影响。 2.5丁香酚影响的编码sortase酶的基因和lsd基因 丁香酚抑制了编码sortase酶的基因srtB (SAO982)和编码表面蛋白的基因isdB、isdD、isdG。 革兰氏阳性细菌的表面蛋白可通过5种机制与细胞壁 结合,sortase酶介导的结合是其中之一。srtA和srtB 编码的sortase酶参与了革兰氏阳性菌细胞壁蛋白的 分泌途径和锚定 。 在革兰氏阳性菌中,Isd系统(Iron—regulated sur— face determinant genes)编码的基因对血红蛋白的结 合和亚铁血红素的通道有重要影响。亚铁血红素通道 需要两个sortase酶,它们在细胞壁中将Isd蛋白固定 维普资讯 http://www.cqvip.com 田 梅 妹等:丁香酚对金黄色葡萄球菌全基因组转录水平的影响研究/2008年囊6期 在特定的位置。这样,Isd作为一个重要的元件,可以 通过菌膜将细胞壁上锚定的蛋白传递给亚铁血红素。 金黄色葡萄球菌的Isd基因座由l0个基因组成.包括 isdA、isdB、isdC、isdD、isdE、isdF、isdG、isdH isdI 和srtB。srtB是sortase B的结构基因,它位于金黄色 葡萄球菌Isd基因座_2 。该基因座上的基因使金黄 色葡萄球菌可以在血红蛋白中提取含铁血红素,使细 菌能在哺乳动物组织缺铁条件下生长,即srtB与金黄 色葡萄球菌感染的持久性有关,由此使sortase B成为 理想的靶标。 因此推测丁香酚抑制sortase B可以使细菌细胞 表面蛋白修饰缺陷,从而抑制细菌生长以对抗感染。 2.6丁香酚对能量代谢的影响 Alexander等_2 研究发现,当用杀菌浓度的丁香 酚和肉桂醛作用于细胞时,对李司忒菌和乳酸菌的能 量代谢有快速的抑制作用,其作用机制可能是对葡萄 糖摄入或利用的抑制作用。而在本实验中,与能量代 谢有关的基因的衷达谱没有发生显著变化。 2.7丁香酚影响的其它基因 组成ure操纵子的基因ureA、ureB、ureC、ureE 和假定的尿素酶转运子基因受到诱导。尿素酶(尿素 酰胺水解酶)含有镍,能催化尿素的水解,生成二分子 氨水和一分子Co。。大多数细菌的尿素酶南三个不同 的亚单位组成,这三个亚单位是由三个邻近的基因u— reA、ufeB和ureC编码的。除了这些结构基因,尿素 酶基因群也编码附加基因,它们是尿素酶合成所必需 的[2引。由于尿素酶的作用使尿素产生了氨水,因此, 也增强了细菌的耐酸性_2 。 丁香酚对相关基因的抑制作用可能降低了金黄色 葡萄球菌对环境的适应能力,从而发挥抗感染作用。 2.8未知功能的基因群 芯片分析结果显示,还有大量未知功能的基因的 表达谱也受到了丁香酚的影响,表明丁香酚还有许多 未知的抗菌机制。 3 结论 用全基因组DNA芯片研究了药物作用前后细菌 基因表达谱的变化。用250 g・mI 一 的丁香酚处理 金黄色葡萄球菌45 min后,表达差异在2倍以上的基 因共有778个。丁香酚同时影响了不同途径的关键基 因,如转运子基因、蛋白质合成基因、细胞壁相关基因 和毒力因子相关基因等,不仅干扰了金黄色葡萄球菌 的正常生理过程,而且抑制了其毒素的产生,为临床应 用提供了依据,为作用机制的深入研究提供了线索,为 在基因水平研究传统中药成分及其它天然产物的药理 作用机制奠定了基础。 参考文献: L1] 国家药典委员会.中华人民共和国药典2005版(一部)[M].北 京:化学T业出版社,2005:3. 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Study on Global Transcripti0nal Profiling of Sfnp ZDcDcczl Aureus Treated with Eugenol MEI Mei ,XIANG Hua ,DENG Xu-ming ,YU Lu ,ZHANG Liang ~,WANG Da—cheng (1.College of Animal Science and Veterinary Medicine,Jilin University,Changchun 130062,China; 2.National Engineering Research Center for Beijing Biochip Technology,Beijing 102206,China; 3.Capital Bio Corporation,Beijing 102206,China) Abstract:To investigate the antimicrobial mechanism of eugenol against S.aureus,global transcriptional profiling of S.aureus in response to subinhibitory concentrations of eugenol were analyzed.S.aureus ATCC25923 was treated with 250 ug・mL一 eugenol for 45 min,Custom—made Affymetrix GeneChips were used to determine the global transcriptional response of S.aureus ATCC25923 triggered by eugeno1.Altogether 338 genes were identified to be upregulated and 440 genes were downregulated upon exposure to eugeno1.Of these,100 transporter genes,45 transcription regulator genes involved in protein synthesis and 32 virulence genes were differentially regulated by eugeno1.Eugenol repressed the sortase—encoding gene SA0982(srtB)and Isd genes on cell wal1.GeneChip analysis demonstrated that the antimicrobial mechanism of eugenol against S. aureus achieved through affecting different pathway genes simultaneously,especially genes involved in transpor— tation,infection processes and information pathways. Keywords:S.aureus;eugenol;GeneChip;transcriptional profiling (上接第40页)[7]刘成梅,黄丽,罗舜菁,等.氨苄青霉素人丁抗原的制备及鉴定 EJ].食品科学,2007,28(9):384—388. hapten heterology on immunoassay sensitivity and develop of an enzyme—linked i unosorb。“ 。。 y for the。 ganoph。。ph。 。 insecticide fenthion[J]・Analytica Chimica Acta,2003,494(1-2): E8]王庭华,李官成.抗体理论-q技术[M].北京:科学出版社,2005: 122—138. r9]Kim Y J,Ch。Y A,I ee H S,et a1.Investigation of the effect of 29—4O・ El0]雷红涛,肖治理,方坚生,等.丁草胺人_T抗原及抗备研究 EJ2.食品科学,2007,28(10):67—71・ Preparation and Identification of Artificial Antigen for Monocrotophos and Determination of Immune Titers XIA Ying,LI Zhong-zhen,YANG Di,YANG Xu,DING Shu-mao,YUAN Jun—lin (Laboratory of Environmental Science,College of Life Science,Central China Normal University,Wuhan 430079,China) Abstract:Monocrotophos(Mcp)was conj ugated to BSA and OVA via glutaraldehyde to make artificial an— tigen and coating antigen,which were identified by UV spectrometry and SDS—PAGE.BALB/c mice immunized by artIficia1 antigen were identIfied by ELISA.The results showed that the conj ugated ratio of Mcp to OVA in Mcp-OVA was 23.3:1,the optimum coating concentra'tion for Mcp—OVA was 1.5 g・mL一 .And the titers of antiserum reached above 1:2×10 when the mice were immunized for three times. Keywords:monocrotophos;artificial antigen;antiserum 

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