毒性分子-抗毒性分子系统的生物学作用研究进展

李国利， 胡福泉

(1.重庆三峡医药高等专科学校 病原生物和免疫学教研室，重庆 404120；2.第三军医大学 微生物学教研室，重庆 400030)



毒性分子-抗毒性分子系统的生物学作用研究进展

李国利1， 胡福泉2

(1.重庆三峡医药高等专科学校 病原生物和免疫学教研室，重庆 404120；2.第三军医大学 微生物学教研室，重庆 400030)

毒性分子-抗毒性分子系统(toxin-antitoxin systems, TA systems)被发现广泛存在于细菌染色体、质粒以及古细菌基因组中。TA系统是由2个基因组成的操纵子，这2个基因分别编码稳定的毒性分子和不稳定的抗毒性分子。毒性分子总是蛋白质，抗毒性分子可能是蛋白质或RNA。因此，根据抗毒性分子的性质和作用方式的不同可将TA系统家族分为5种类型。Ⅰ型和Ⅲ型的抗毒性分子是RNA，能抑制毒性分子的合成或者与其隔离；II、IV和V型的抗毒性分子是蛋白质，能隔离、平衡毒性分子作用或抑制其合成。TA系统具有多种生物学功能。目前研究表明，TA系统可能在细菌应激应答、程序化细胞死亡、多重耐药的形成、防止DNA入侵、稳定大基因组片段等方面有重要的作用。

毒性分子-抗毒性分子系统；应激应答；程序化细胞死亡；多重耐药

TA系统(toxin-antitoxin systems，TA systems)是小的遗传模块，在细菌质粒、染色体及古细菌基因组中普遍存在[1]。到目前为止，TA系统还没有正式准确的中文名称，从字面上翻译似乎应该为毒素-抗毒素系统。一般认为毒素是与细菌致病有关的毒性物质，抗毒素是细菌毒素刺激机体后生成的免疫球蛋白。然而，该系统与传统的毒素与抗毒素并无关联，为了加以区别，本文将TA系统暂译为毒性分子-抗毒性分子系统。最早在大肠埃希菌F质粒中发现存在TA系统，很长一段时间认为TA系统的作用就是维持质粒的稳定，并没有引起人们的重视。其分子机制是如果子代细胞丢失编码TA系统的基因，抗毒性分子就能被内源性ATP依赖的蛋白激酶快速裂解，毒性蛋白得以释放，从而杀死丢失质粒的细胞，以至于只有拥有该质粒的细胞才能得以存活[2]。因此这种机制被称为分离后杀伤(post-segregational killing)或质粒成瘾(plasmid addiction)。然而，近几年发现TA系统除了存在于质粒之外，在细菌和古细菌的染色体上也普遍存在[3]，且有多个拷贝，说明TA系统可能具有更重要更广泛的生物学作用。因此，TA系统越来越受到微生物研究者的关注，本文就近年来TA系统的研究进展作一综述。

1 分型及特征

TA系统由毒性分子和抗毒性分子2部分组成。前者性质稳定，后者性质易变[4]。毒性分子作用于细胞许多重要的过程；抗毒性分子能抑制毒性分子的毒性作用。毒性分子总是蛋白质，抗毒性分子可能是蛋白质或RNA。目前按照抗毒性分子的性质和作用方式的不同将TA系统分为5种类型[5]，见表1。

表1 TA系统分型及家族成员

Ⅰ型和Ⅲ型的抗毒性分子是RNA。Ⅰ型抗毒性分子是反义RNA，它能与毒性分子的mRNA结合，从而导致翻译抑制和双链RNA降解[6]；Ⅲ型抗毒性分子由重复序列构成，毒性分子能与其识别和结合，从而相互隔离[7]。II、IV和V型的抗毒性分子是蛋白质，它能隔离、平衡毒性分子作用或抑制其合成。II型抗毒性分子是不稳定的小分子蛋白，由2个结构域构成。氨基端结构域是DNA结合部位，羧基端结构域是毒性蛋白结合部位。抗毒性蛋白与相应的毒性蛋白结合形成蛋白-蛋白复合物，在复合物内毒性蛋白活性是失活的[8]；IV和V型TA系统目前各只发现一个，IV型的抗毒性分子CbeA能促使其毒性分子FtsZ和MreB聚合，从而拮抗毒性分子的毒性作用[9-10]；V型抗毒性分子GhoS作为一个核糖核酸内切酶通过降解其毒性分子mRNA发挥作用[11]。

2 TA系统间的相互作用

TA系统在细菌染色体上广泛存在。因此，同源的、非同源的TA系统常常共存于同一个细菌的染色体或质粒上。研究表明，同源或非同源系统的毒性蛋白和抗毒性蛋白之间能直接发生相互作用，从而影响毒性分子的毒性作用或表达水平。

同一染色体上同源TA系统间的相互作用在Ⅱ型TA系统已进行了大量研究。研究表明，Ⅱ型TA系统的抗毒性分子或毒性与抗毒性分子复合物能发挥转录抑制因子的作用。此外，大多数Ⅱ型TA系统的抗毒性分子为核酸内切酶，因此可影响TA系统在转录后的表达。同源毒性和抗毒性分子间相互作用在氨基酸水平具有高度的特异性。这种特异性在大肠埃希菌mazEF和chpb系统间、金黄色葡萄球菌2个yefM-yoeB系统间和结核分枝杆菌的30个VapBC间已被证明[12-13]。但是，不同TA系统的毒性和抗毒性分子间的相互作用未被检测到[13]。同一TA系统的多个拷贝可能扰乱系统间的微妙平衡，导致其中一个衰退。

大多数Ⅱ型非同源TA系统的毒性蛋白为核酸内切酶，因此可影响TA系统在转录后的表达。大肠埃希菌的毒性蛋白(RelE、MazF、MqsR、HicA和HipA)的过表达能通过促进转录来激活relBE系统[14]。此外，毒性蛋白的过表达还能导致编码抗毒性蛋白的mRNA降解，因此毒性和抗毒性蛋白的比例就会不平衡，导致毒性蛋白积累。

3 生物学功能

3.1 应激应答

细菌细胞对应激条件的适应性应答是TA系统最主要的作用。营养物质缺乏、抗生素作用、噬菌体感染和DNA损伤等条件下可激活TA系统[15]。TA系统激活后毒性蛋白通过阻断蛋白合成和DNA复制从而诱导细菌细胞生长停滞，即休眠(dormancy)。近来的研究表明，毒性蛋白MazF虽然使细胞生长停滞，但细胞仍然保留代谢活性，而且这种生长停滞能被抗毒性蛋白的表达所逆转[16]。可逆的生长停滞可能使细菌度过极端的应激条件而继续存活。当条件改善后少部分细菌能恢复并重新开始正常的细胞生理活动，但如果延长毒性蛋白的作用则会导致细胞不可逆的死亡。由于外界生存的细菌遭受剧烈的环境变化，所以TA系统的存在是非常正常的。

3.2 诱导程序化细胞死亡

近年研究发现，单细胞生物细菌也可以发生程序化细胞死亡(programmed cell death, PCD)[17]。某些TA系统被证实诱导了细菌PCD，细菌的这一功能对细菌生存具有诸多益处。PCD对细菌可能具有以下3个作用[18]：首先，在营养极度缺乏的条件下，部分细菌个体的死亡可以为存活的细菌提供食物，从而维护细菌种群的稳定；其次，PCD可以防御噬菌体感染的扩散，例如，mazEF能够阻断噬菌体P1的扩散[19]；最后，PCD还具有监护细菌染色体的作用，如果细菌某些系统功能丧失，PCD可以通过清除缺陷细胞或发生突变来维护基因组稳定。

近期发现了MazF死亡通路中一种关键的死亡因子，其机制主要通过释放一种来自葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的五肽(Asn-Asn-Trp-Asn-Asn)，命名为胞外死亡因子(extracellular death factor，EDF),它导致了细菌PCD，而在mazEF敲除的细胞里则不会发生这种死亡[18]。关于TA系统诱导的细菌PCD作用，有一种非常有争议的假设——TA系统诱导的死亡是一种利他杀伤(altruistic killing)，即细菌亚群的死亡可能为存活的细菌提供一些营养，这些优先生存下来的细胞将消除利他杀伤作用。因此推论，细菌种群不是简单的个体的集合，而是可能通过细胞间信息传递，细菌获得了不同的性质，就像多细胞有机体那样。尽管细菌细胞间精细的相互作用尚未见报道，但是低水平的细胞间信息传递——群体感应是众所周知的。

3.3 多重耐药的形成

TA系统与细菌多重耐药的形成密切相关，临床上分离的耐受万古霉素或甲氧西林的病原菌质粒中普遍存在TA系统。目前认为TA系统诱导细菌多重耐药的机制主要有2种：一种是细菌长期在抗生素条件下暴露，TA系统激活后常常会导致细菌形成休眠细胞(persistent cells)或类休眠(quasi-dormancy)，在一定程度上细胞停止了新陈代谢，以至于依赖抑制转录、翻译的抗生素(如利福平、氯霉素、土霉素等)将不再损伤细胞，导致多重耐药，如大肠埃希菌质粒的毒性蛋白RelE或MezF过表达增加了对抗生素的耐受[20]。但是，也有相反的观点，如奎诺酮类抗生素本身就是解旋酶抑制剂，与ccdAB、parDE等TA系统具有相似的作用方式，其机制是通过抑制剂作用于解旋酶-DNA复合体诱导了DNA损伤，这样反而有助于休眠细胞的形成；另一种是TA系统可能诱导了细菌形成生物被膜(biofilm)导致了多重耐药[21]。生物被膜对膜内的细菌有屏障保护的作用，可增强细菌对抗生素的耐受，TA系统能够调节生物被膜的形成。有研究表明，hipAB系统与生物被膜的形成有关，TA系统的高表达促进了细菌形成生物被膜[22]。因此，目前认为阻断TA系统作用可以防止细菌耐药的形成，这种机制可能成为研究新型抗生素的重要靶点。

3.4 防止DNA丢失

研究表明TA系统有助于维护质粒稳定[23]。据报道，属于II型TA系统的mosAT基因在维持SXT的高稳定性中是必要的。许多霍乱弧菌临床分离株中发现SXT是一个综合连接成分(integrative and conjugative element，ICE)，并携带有抗生素抵抗基因，mosAT整合到染色体上后，MosA会关闭其表达，接合后SXT不得不从染色体上切除并环化(circularize)。

此外，超级整合子(superintegrons，SIs)的基因盒中发现的多个TA系统具有另一种防止DNA丢失的机制。SIs是非常稳定的染色体基因成分，由许多基因盒组成，这些基因盒通过位点特异性重组进行整合。来自创伤弧菌(Vibriovulnificus)SIsd的2个TA系统relBE和parDE被引入大肠埃希菌染色体，结果表明可防止侧翼DNA缺失。由于SIs包含许多重复序列，这些重复序列可能重组导致切除，所以TA系统在删除时可能具有反向选择细菌的作用。一些染色体编码的TA系统如dinJ-yafQ和ccd，却无此作用。因此表明，不同的TA系统由于位置的不同可能作用也不相同。

3.5 防止外源DNA侵入

有研究表明，染色体上的TA系统具有防止质粒和噬菌体侵入的作用[24]。近期报道，Ⅲ型TA系统毒性蛋白与可阻断噬菌体感染的Abi蛋白的作用相同，都可能通过阻止成熟感染颗粒的形成来抵抗多种噬菌体感染，但其具体的分子机制还不清楚。另外I型hok-sok系统和II型mazEF系统也具有相似的作用。

4 结 语

综上所述，TA系统在细菌生理过程中发挥着非常重要的作用。TA系统的作用远远超出了维持移动遗传元件(mobile genetic elements)的稳定。它所诱导的代谢休眠可能是细菌应对外界环境中各种应激条件的一个基本应答。各型TA系统的毒性蛋白大多数具有mRNA干扰酶的活性。其通过抑制翻译导致了细菌代谢停滞，从而使细菌在饥饿、抗生素等恶劣条件下得以存活。其特异识别序列的特点决定了某些基因会逃离这种基因表达抑制。通过调节生物被膜形成、与宿主蛋白或其他的入侵病原相互作用等，TA系统在细菌致病过程中发挥了重要的作用。到目前为止，虽然对TA系统进行了大量的研究，但是其生理学作用仍不完全清楚。随着耐受多种抗生素的超级细菌的发现和扩散，多重耐药菌感染更加成为全球关注的卫生问题，同时迫切要求有新型抗微生物感染的药物出现。以TA系统为新药靶的抗微生物药物的出现将可能会大大改善耐药菌感染性疾病的治疗[25]。

[1] Bertram R, Schuster C F. Post-transcriptional regulation of gene expression in bacterial pathogens by toxin-antitoxin systems[J]. Front Cell Infect Microbiol, 2014,4:6.

[2] Hayes F. Toxins-antitoxins: plasmid maintenance, programmed cell death, and cell cycle arrest[J]. Science, 2003,301(5639):1496-1499.

[3] Nieto C, Sadowy E, de la Campa A G, et al. The relBE2Spn toxin-antitoxin system ofStreptococcuspneumoniae: role in antibiotic tolerance and functional conservation in clinical isolates[J]. PLoS One, 2010,5(6):e11289.

[4] Brzozowska I, Zielenkiewicz U. Regulation of toxin-antitoxin systems by proteolysis[J]. Plasmid, 2013,70(1):33-41.

[5] Goeders N, Van Melderen L. Toxin-antitoxin systems as multilevel interaction systems[J]. Toxins (Basel), 2014,6(1):304-324.

[6] Fozo E M, Makarova K S, Shabalina S A, et al. Abundance of type I toxin-antitoxin systems in bacteria: searches for new candidates and discovery of novel families[J]. Nucleic Acids Res, 2010,38(11):3743-3759.

[7] Blower T R, Pei X Y, Short F L, et al. A processed noncoding RNA regulates an altruistic bacterial antiviral system[J]. Nat Struct Mol Biol, 2011,18(2):185-190.

[8] Overgaard M, Borch J, Jorgensen M G, et al. Messenger RNA interferase RelE controlsrelBE transcription by conditional cooperativity[J]. Mol Microbiol, 2008,69(4):841-857.

[9] Masuda H, Tan Q, Awano N, et al. YeeU enhances the bundling of cytoskeletal polymers of MreB and FtsZ, antagonizing the CbtA (YeeV) toxicity inEscherichiacoli[J]. Mol Microbiol, 2012,84(5):979-989.

[10]Tan Q, Awano N, Inouye M. YeeV is anEscherichiacolitoxin that inhibits cell division by targeting the cytoskeleton proteins, FtsZ and MreB[J]. Mol Microbiol, 2011,79(1):109-118.

[11]Wang X, Lord D M, Cheng H Y, et al. A new type V toxin-antitoxin system where mRNA for toxin GhoT is cleaved by antitoxin GhoS[J]. Nat Chem Biol, 2012,8(10):855-861.

[12]Nolle N, Schuster C F, Bertram R. Two paralogous yefM-yoeB loci fromStaphylococcusequorumencode functional toxin-antitoxin systems[J]. Microbiology, 2013,159(Pt 8):1575-1585.

[13]Ahidjo B A, Kuhnert D, McKenzie J L, et al. VapC toxins fromMycobacteriumtuberculosisare ribonucleases that differentially inhibit growth and are neutralized by cognate VapB antitoxins[J]. PLoS One, 2011,6(6):e21738.

[14]Kasari V, Mets T, Tenson T, et al. Transcriptional cross-activation between toxin-antitoxin systems ofEscherichiacoli[J]. BMC Microbiol, 2013,13:45.

[15]Park S J, Son W S, Lee B J. Structural overview of toxin-antitoxin systems in infectious bacteria: a target for developing antimicrobial agents[J]. Biochim Biophys Acta, 2013,1834(6):1155-1167.

[16]Lewis K. Persister cells, dormancy and infectious disease[J]. Nat Rev Microbiol, 2007,5(1):48-56.

[17]Mruk I, Kobayashi I. To be or not to be: regulation of restriction-modification systems and other toxin-antitoxin systems[J]. Nucleic Acids Res, 2014,42(1):70-86.

[18]Kolodkin-Gal I, Hazan R, Gaathon A, et al. A linear pentapeptide is a quorum-sensing factor required for mazEF-mediated cell death inEscherichiacoli[J]. Science, 2007,318(5850):652-655.

[19]Hazan R, Engelberg-Kulka H.EscherichiacolimazEF-mediated cell death as a defense mechanism that inhibits the spread of phage P1[J]. Mol Genet Genomics, 2004,272(2):227-234.

[20]Vazquez-Laslop N, Lee H, Neyfakh A A. Increased persistence inEscherichiacolicaused by controlled expression of toxins or other unrelated proteins[J]. J Bacteriol, 2006,188(10):3494-3497.

[21]Wen Y, Behiels E, Devreese B. Toxin-Antitoxin systems: their role in persistence, biofilm formation and pathogenicity[J]. Pathog Dis, 2014,70(3):240-249.

[22]Bukowski M, Rojowska A, Wladyka B. Prokaryotic toxin-antitoxin systems-the role in bacterial physiology and application in molecular biology[J]. Acta Biochim Pol, 2011,58(1):1-9.

[23]Kopfmann S, Hess W R. Toxin-antitoxin systems on the large defense plasmid pSYSA ofSynechocystissp. PCC 6803[J]. J Biol Chem, 2013,288(10):7399-7409.

[24]Cook G M, Robson J R, Frampton R A, et al. Ribonucleases in bacterial toxin-antitoxin systems[J]. Biochim Biophys Acta, 2013,1829(6-7):523-531.

[25]Unterholzner S J, Poppenberger B, Rozhon W. Toxin-antitoxin systems: Biology, identification, and application[J]. Mob Genet Elements, 2013,3(5):e26219.

Advances in Biological Function of Toxin-Antitoxin Molecular Systems

LI Guo-li1, HU Fu-quan2

(1.Teach. &Res.Div.ofPathog.Biol. &Immunol.,ChongqingThreeGorgesMed.Coll.,Wanzhou,Chongqing404120; 2.Teach. &Res.Div.ofMicrobiol., 3rdMilit.Med.Uni.,Shapingba,Chongqing400030)

Toxin-antitoxin systems (TA systems) extensively exist in bacterial chromosomes and plasmids as well as in archaic genomes. TA systems is an operon consisting of two genes, they are respectively toxin molecule of stably encoded and anti-toxin molecule of unstably encoded. Toxin molecule is always protein, while antitoxin molecule may be protein or RNA. Therefore, currently TA systems family can be divided into five different types. Antitoxin molecule of type I and type III is RNA, it can inhibit the synthesis of toxin molecule or isolate toxin molecule. Antitoxin molecule of type II, IV, and V is protein, it can isolate, balance the role of toxin molecule or inhibit its synthesis. TA systems possess multiple biological functions. Recent studies suggested that TA systems might play important role and have involved in the cell stress response, programmed cell death, the form of multidrug resistance, prevention from DNA invasion, as well as stabilization of large genomic fragments and other aspects.

toxin-antitoxin systems; stress response; programmed cell death; multidrug resistance

重庆市卫生局医学科研计划项目(2011-2-411)

李国利 男，硕士，讲师。研究方向为微生物致病机制。Tel: 023-58556819，E-mail:liguoli929@163.com

2014-04-01；

2014-05-06

Q93

A

1005-7021(2015)01-0101-04

10.3969/j.issn.1005-7021.2015.01.019