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溴化呋喃酮對鰻弧菌群體感應(yīng)調(diào)控行為的抑制研究

2017-05-19 09:40潘玉榮張彩麗朱素芹曾名湧
生物技術(shù)通報 2017年4期
關(guān)鍵詞:溴化鞭毛呋喃

潘玉榮 張彩麗 朱素芹 曾名湧

(中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266003)

溴化呋喃酮對鰻弧菌群體感應(yīng)調(diào)控行為的抑制研究

潘玉榮 張彩麗 朱素芹 曾名湧

(中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266003)

以群體感應(yīng)抑制劑—溴化呋喃酮為研究對象,探究其對鰻弧菌群體感應(yīng)相關(guān)基因和致病因子的抑制作用。利用熒光定量PCR檢測亞抑菌濃度溴化呋喃酮對鰻弧菌vanI/R和 luxS基因表達量的影響,利用鞭毛染色觀察溴化呋喃酮對鰻弧菌生物膜以及鞭毛形成的作用,通過平板擴散法檢測溴化呋喃酮對鰻弧菌胞外酶的作用。結(jié)果表明,溴化呋喃酮能夠顯著抑制鰻弧菌vanI和luxS基因的表達量,溴化呋喃酮能夠降低鰻弧菌分泌蛋白酶和明膠酶能力,能抑制鞭毛生長和生物膜的形成并降低其運動能力。

溴化呋喃酮;鰻弧菌;群體感應(yīng);鞭毛;胞外酶;生物膜

群體感應(yīng)(Quorum sensing,QS)是指細菌能自發(fā)產(chǎn)生、釋放一些特定的信號分子,細菌通過感知其濃度變化來調(diào)節(jié)群體行為的現(xiàn)象[1]。微生物QS介導(dǎo)的過程常伴隨有植物和動物宿主的參與,在生物進化過程中有些高等生物已進化出一定的機制來干擾細菌的QS。鹵化呋喃酮,最早是在澳大利亞大型藻紅色海藻Delisea pulchra發(fā)現(xiàn)的,它可以干擾多種革蘭氏陰性菌QS調(diào)控的性狀[2]。在已知的鹵化呋喃酮化合物中有研究表明,溴化呋喃酮不但能降低銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)QS相關(guān)基因的表達,且能抑制銅綠假單胞菌QS系統(tǒng)介導(dǎo)的胞外毒力因子的表達。研究認為,溴化呋喃酮對QS抑制機理是與信號分子競爭結(jié)合受體,從而阻斷QS系統(tǒng)通路[3,4]。

鰻弧菌為有鞭毛的革蘭氏陰性細菌,無莢膜,不形成芽孢,能運動,具有典型的弧菌屬細菌特征。當水產(chǎn)養(yǎng)殖動物在不良的環(huán)境條件下,遭遇不利刺激或是受傷時會誘發(fā)疾病的產(chǎn)生。已報道的鰻弧菌毒力因子有pJM1鐵離子轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、脂多糖、生物膜胞外酶等[5]。

QS系統(tǒng)不僅調(diào)控病原菌致病初期階段的侵襲定殖以及毒力基因的表達,還調(diào)控其耐藥性的產(chǎn)生,這就為人們提供了一條新的病原菌防控思路——從干擾群體感應(yīng)系統(tǒng)入手預(yù)防和治療微生物疾病[6]。我們前期研究發(fā)現(xiàn)鰻弧菌VA能夠產(chǎn)生多種類型信號分子[7],但是溴化呋喃酮對鰻弧菌的QS影響尚無報道。因此,本研究以合成的溴化呋喃酮(圖1)為研究對象,探討其對鰻弧菌VA QS系統(tǒng)相關(guān)基因及其毒力因子表達的影響,這將為弧菌病的預(yù)防和治理提供新的思路。

圖1 (Z)-5-(溴亞甲基)-2(5H)-呋喃酮

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌株、培養(yǎng)基與培養(yǎng)條件 本研究中使用的菌株質(zhì)粒如表1所示。所有菌株均保存于30%甘油中,置于-20℃下凍藏。使用前,將儲存的菌液按1∶100的比例接種于AB液體培養(yǎng)基過夜活化。所有菌株的培養(yǎng)條件均為溫度30℃,轉(zhuǎn)速160 r/min。細菌的生長密度用OD600表示。蛋白酶培養(yǎng)基:LB瓊脂基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加2%脫脂奶粉,明膠酶培養(yǎng)基為LB培養(yǎng)基添加2%的明膠,卵磷脂酶培養(yǎng)基為LB基礎(chǔ)培養(yǎng)基含1%生雞蛋蛋黃。

1.1.2 主要試劑和儀器 (Z)-5-(溴亞甲基)-2(5H)-呋喃酮購自Sigma公司(美國);引物由上海生工合成(表2),使用時溶解于無水乙醇中。酶標儀Synergy 2(美國Bio-Tek公司),熒光定量PCR儀(FQD-96A 杭州博日科技有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 溴化呋喃酮對鰻弧菌MIC濃度的測定 參考文獻[10],挑取鰻弧菌VA單菌落至AB液體培養(yǎng)基,過夜活化后,按1%的比例接種于新鮮AB培養(yǎng)基。在48孔透明酶標板中分別加入10 μL不同濃度的溴化呋喃酮溶液和990 μL稀釋后的鰻弧菌液,使溴化呋喃酮的終濃度分別為30 mg/L、15 mg/L、7.5 mg/L、5 mg/L、2.5 mg/L、1 mg/L;空白對照組加入10 μL無水乙醇和990 μL稀釋后的菌液,30℃培養(yǎng)24 h,檢測其OD600值。

表1 供試菌株和特征

表2 引物名稱和序列

1.2.2 實時熒光定量PCR 查閱基因庫中鰻弧菌QS系統(tǒng)相關(guān)基因vanI/R,以鰻弧菌16S rRNA為管家基因,先以全序列引物擴增目的條帶,再通過qRTPCR測定相關(guān)基因在轉(zhuǎn)錄水平上相對表達量。鰻弧菌過夜活化,按1%比例稀釋到新鮮的AB液體培養(yǎng)基中,添加不同濃度溴化呋喃酮使其最終濃度為1 mg/L、2.5 mg/L、5 mg/L,以加入相同體積的無水乙醇為對照組,置于28℃,160 r/min培養(yǎng)24 h。取菌液離心,上清過無菌0.22 μm濾器,用報告菌株哈維式弧菌JMH597測定無菌上清中AI-2信號分子活性,離心后的菌體根據(jù)TransZol 法提取RNA,保存于RNA溶解液中,瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA提取的完整性。

以提取的RNA為模板反轉(zhuǎn)錄得到cDNA,體系為20 μL:模板2 μL,隨機引物(0.1 μg/μL)1 μL,2×TS Reaction Mix 10 μL,TransScrit RT/RI Enzyme Mix 1 μL,gDNA Remover 1 μL,RNase-free Water 5 μL。反應(yīng)條件:25℃孵育10 min后42℃反轉(zhuǎn)錄15min,85℃加熱5 s失活TransScrit RT/RI和gDNA Remover。qRT-PCR體系為20 μL:模板1 μL,前后引物各0.4 μL,2×TransStart TOP/Tip Green qPCR SuperMix 10 μL,ddH2O 8.2 μL,qPCR反應(yīng)程序:94℃預(yù)變性3 min,94℃變性5 s,60℃退火延伸30 s,40個循環(huán),在每個循環(huán)的退火延伸階段收集熒光信號,以不加模板的體系為陰性對照。

1.2.3 溴化呋喃酮對鰻弧菌VA分泌胞外酶的影響 挑取鰻弧菌VA單菌落接種到AB液體培養(yǎng)基,30℃過夜培養(yǎng)。按1%比例稀釋到新鮮培養(yǎng)基中,加入不同濃度溴化呋喃酮,使最終濃度為0 mg/L(對照組)、1 mg/L、2.5 mg/L、5 mg/L,培養(yǎng)24 h,取菌液測定OD600,離心,獲得上清液過無菌濾膜。蛋白酶培養(yǎng)基,明膠酶培養(yǎng)基和卵磷脂酶培養(yǎng)基平板在無菌風(fēng)中吹干,打孔,加入60 μL上述無菌上清液,置于28℃培養(yǎng)24 h,測量透明圈大小。測得的數(shù)據(jù)用SPSS18.0進行統(tǒng)計學(xué)分析處理。抑制率(%)=(對照組透明圈直徑-實驗組透明圈直徑)/對照組菌落直徑 *100%。

1.2.4 溴化呋喃酮對鰻弧菌VA運動 細菌泳動培養(yǎng)基:0.3%瓊脂,1%胰蛋白胨,1%NaCl;細菌群集運動培養(yǎng)基:0.5%瓊脂,0.8%胰蛋白胨 1% NaCl,0.5%葡萄糖。將每種培養(yǎng)基冷卻至50℃左右,混入不用濃度溴化呋喃酮,終濃度為0 mg/L、1 mg/L、2.5 mg/L,傾倒平板,無菌風(fēng)吹干,將活化好的菌液取1 μL懸滴到平板中央。待菌液吸收后放置28℃培養(yǎng)36 h。每個濃度做3個平行,游標卡值測量菌落遷移的直徑。

1.2.5 溴化呋喃酮對鰻弧菌VA生物膜及鞭毛生長的影響 鰻弧菌VA過夜活化后按1%的比例接種于新鮮培養(yǎng)基。取2 970 μL菌液加入直徑為2 cm底部放置無菌蓋玻片的6孔板,再加入30 μL溴化呋喃酮,使溴化呋喃酮的終濃度為2.5 mg/L,對照組以30 μL無水乙醇代替溴化呋喃酮,30℃下靜置培養(yǎng)24 h。小心吸除培養(yǎng)基,蒸餾水輕輕漂洗3次,待晾干后取出蓋玻片放置于潔凈的載玻片上放在顯微鏡下觀察生物膜形態(tài)。

挑取0 mg/L與2.5 mg/L細菌泳動培養(yǎng)基平板上的遷移菌落邊緣涂布在載玻片的生理鹽水中,用劉榮氏鞭毛染色液染色5 min,用蒸餾緩緩沖洗1 min,晾干在顯微鏡下放大1 000倍油鏡觀察,觀察鰻弧菌鞭毛形態(tài)。

2 結(jié)果

2.1 溴化呋喃酮對鰻弧菌VA群體感應(yīng)系統(tǒng)的影響

溴化呋喃酮對鰻弧菌VA的最小抑菌濃度為15 mg/L,為了保證細菌致病因子表達量不同不是由細菌生長差異引起的,選取低于7.5 mg/L的濃度做后續(xù)實驗。

鰻弧菌VA vanR,vanI以及l(fā)uxS基因擴增片段的電泳圖譜如圖2所示,預(yù)期片段大小為1 308 bp、582 bp、519 bp,實測片段長度為1 282 bp、536 bp、487 bp。將得到的序列在NCBI中進行比對顯示,鰻弧菌的vanR,vanI,luxS基因與已上傳的鰻弧菌NB10對應(yīng)的基因相似度都高達99%,說明該鰻弧菌中存在vanR、 vanI和luxS,且擴增比較完整。

圖2 鰻弧菌VA luxS,vanR,vanI基因電泳圖

2.2 熒光定量PCR檢測溴化呋喃酮對鰻弧菌VA QS相關(guān)基因表達量的影響

前期研究發(fā)現(xiàn),該鰻弧菌能夠產(chǎn)生3種類型的QS信號分子,其中高絲氨酸內(nèi)脂類信號分子和AI-2類型的信號分子是鰻弧菌產(chǎn)生的主要信號分子[7],鰻弧菌vanR/I系統(tǒng)存在與費氏弧菌的luxR/I系統(tǒng)相似的QS系統(tǒng),該系統(tǒng)是以高絲氨酸內(nèi)脂(OH-C6-HLs)介導(dǎo)的QS系統(tǒng)[11]。

鰻弧菌VA提取后的RNA電泳圖(圖3-A),呈現(xiàn)3條典型條帶28S、18S、5S,說明RNA提取完整,可以繼續(xù)進行反轉(zhuǎn)錄和qPCR。經(jīng)過溴化呋喃酮處理,鰻弧菌VA vanI/R介導(dǎo)的QS系統(tǒng)中分泌基因vanI的表達受到明顯的抑制(圖3-B),隨著溴化呋喃酮濃度升高抑制效果越顯著,而vanR受體蛋白基因表達量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這時可能因為低濃度溴化呋喃酮能夠加速VanR蛋白的消耗,從而促進vanR基因的過度表達,當濃度提高至5 mg/l時,VanR基因表達出現(xiàn)下降趨勢。鰻弧菌VA中l(wèi)uxS基因的表達量隨著溴化呋喃酮濃度的升高而降低,AI-2與luxS基因表達量活性基本一致(圖3-C)。

圖3 溴化呋喃酮對鰻弧菌VA vanR/I和luxS/AI-2系統(tǒng)的影響

2.3 溴化呋喃酮對鰻弧菌VA胞外酶的影響

鰻弧菌VA能產(chǎn)生多種胞外酶,分泌較強的胞外酶有蛋白酶、卵磷脂酶和明膠酶,不產(chǎn)生脂肪酶和DNA酶。不同濃度溴化呋喃酮對鰻弧菌蛋白酶、卵磷脂酶和明膠酶活性的抑制效果如圖4。與對照組A相比,鰻弧菌VA分泌蛋白酶和明膠酶酶解圈直徑隨著溴化呋喃酮濃度的升高均逐漸變小,說明亞抑菌濃度溴化呋喃酮能夠抑制鰻弧菌VA蛋白酶和明膠酶的分泌。根據(jù)抑制率公式計算,當溴化呋喃酮濃度為5 mg/L時,溴化呋喃酮對鰻弧菌VA蛋白酶的和明膠酶抑制率分別為36.48%和27.72%。測定培養(yǎng)后菌體密度(OD600),細菌密度沒有顯著性差異,說明溴化呋喃酮對鰻弧菌分泌蛋白酶和明膠酶的抑制效果不是抑菌作用引起的。溴化呋喃酮對鰻弧菌VA分泌卵磷脂酶沒有顯著抑制作用。

圖4 平板擴散法檢測溴化呋喃酮對VA胞外酶的影響

2.4 溴化呋喃酮對鰻弧菌VA運動的影響。

溴化呋喃酮對鰻弧菌泳動和群集運動的抑制作用如圖5所示,細菌泳動和群集運動分別反應(yīng)細菌在液體環(huán)境和固體環(huán)境中的運動能力,這種運動是以鞭毛為導(dǎo)向的運動行為,細菌的運動能力與致病菌的侵襲致病階段具有重要的作用[12]。溴化呋喃酮對鰻弧菌泳動能力有抑制作用,而對鰻弧菌的群集運動無明顯抑制作用,經(jīng)測量鰻弧菌VA泳動半徑分別為:(A)34.42±0.28 mm、(B)24.08±0.31 mm、(C)23.96±0.56 mm。2.5 mg/L的溴化呋喃酮對鰻弧菌的泳動直徑抑制約30%。這可能是由于溴化呋喃酮抑制了鰻弧菌鞭毛的生長從而抑制了其泳動能力,因此,選取2.5 mg/L溴化呋喃酮濃度檢測其對鰻弧菌鞭毛和生物膜形成的影響。

表3 溴化呋喃酮對鰻弧菌VA分泌胞外酶的抑制作用

圖5 溴化呋喃酮對鰻弧菌運動的影響

2.5 溴化呋喃酮對鰻弧菌生物膜以及鞭毛形成的抑制作用

溴化呋喃酮對鰻弧菌生物膜形成的抑制作用如圖5與對照組(無水乙醇)相比,2.5 mg/L的溴化呋喃酮能有效抑制鰻弧菌生物膜的產(chǎn)生。經(jīng)過溴化呋喃酮處理,生物膜由密集變稀疏,分散。生物膜的形成量逐漸減少,生物膜的形成逐漸受到抑制。

經(jīng)鞭毛染色顯微鏡下觀察鰻弧菌鞭毛形態(tài),與對照組相比,溴化呋喃酮實驗組中鰻弧菌中含有鞭毛的細菌數(shù)量明顯減少,部分鞭毛變的短小甚至消失。對照組中,通過視野可以觀察到細菌鞭毛細長彎曲。這說明溴化呋喃酮對鰻弧菌的鞭毛形成具有抑制作用。

圖6 溴化呋喃酮對鰻弧菌生物膜和鞭毛形成的抑制作用

3 討論

溴化呋喃酮作為QS通路抑制劑可以與細菌分泌的信號分子競爭性結(jié)合受體,通過作用于細菌的QS系統(tǒng)影響細菌生物膜的形成,其對AHLs和AI-2均有抑制作用[13]。溴化呋喃酮對AI-2信號分子有抑制作用,可能是因為溴化呋喃酮能使LuxS酶失活或者抑制luxS基因的表達[14]。因此本研究通過熒光定量PCR,探討溴化呋喃酮在體外環(huán)境下對于鰻弧菌QS系統(tǒng)相關(guān)基因影響,低于5 mg/L溴化呋喃酮濃度不影響鰻弧菌生長密度,但夠顯著抑制鰻弧菌QS分泌基因vanI和luxS的表達量,該兩段基因分別調(diào)控AHLs和AI-2信號分子的合成。鰻弧菌VA群體感應(yīng)系統(tǒng)感受基因vanR隨著溴化呋喃酮濃度的升高,呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,這與已報道的溴化呋喃酮能抑制銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)QS系統(tǒng)感受基因PlasB-gfp 的表達研究結(jié)果不同,這可能因為銅綠假單胞菌與鰻弧菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的差異性大,鰻弧菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜,目前發(fā)現(xiàn)鰻弧菌VA至少能分泌3種不同類型的信號分子。

溴化呋喃酮對鰻弧菌luxS/AI-2 QS系統(tǒng)也具有抑制作用,溴化呋喃酮可能通過抑制信號分子的活性影響鰻弧菌致病因子的表達。最近研究表明溴化呋喃酮可以通過抑制AI-2活性影響希瓦氏菌屬(Shewanella.sp)致腐敗相關(guān)特性[15]。這進一步說明溴化呋喃酮可以通過調(diào)控QS系統(tǒng)影響細菌的代謝特征。

鰻弧菌的致病過程包括粘附、侵襲、體內(nèi)增殖及產(chǎn)生毒素等一系列過程,而這些過程又與細菌產(chǎn)生的各種致病因子有關(guān)[16]。鰻弧菌的致病因子主要包括侵染力和產(chǎn)毒力兩方面。侵染力的產(chǎn)生主要來自于鞭毛蛋白對魚粘液的化學(xué)趨向性驅(qū)動,產(chǎn)毒力主要包括鐵攝取系統(tǒng)、外膜蛋白、胞外蛋白酶、脂多糖和溶血素等[17]。而研究表明鰻弧菌生物膜和胞外蛋白酶受其QS系統(tǒng)調(diào)控[11]。細菌形成生物膜可以降低外界環(huán)境的干擾,增強自身耐藥性。本研究表明溴化呋喃酮在抑制QS系統(tǒng)相關(guān)基因表達的同時降低鰻弧菌生物膜的形成量和胞外蛋白酶活性,這進一步說明鰻弧菌的生物膜和胞外蛋白酶與其QS系統(tǒng)存在相關(guān)性。Vestby等[18]研究表明,溴化呋喃酮可明顯降低多種腸道沙門氏菌生物膜的形成,這與本研究中溴化呋喃酮抑制鰻弧菌生物膜形成的研究結(jié)果基本一致。

細菌的運動主要依賴于鞭毛的主動性運動。溴化呋喃酮通過干擾鰻弧菌鞭毛形態(tài)減弱其運動能力。但在群集運動培養(yǎng)基中,溴化呋喃酮沒有顯著干擾效果。這是因為在不同環(huán)境中,鰻弧菌對溴化呋喃酮的敏感性不同。

溴化呋喃酮是目前研究較多的一類QS抑制劑的影響,期望在不干擾鰻弧菌生長的前提下,通過對細菌QS系統(tǒng)途徑降低毒力因子的生成,當生物膜、鞭毛、胞外蛋白酶受到抑制后的致病菌更容易被宿主機體免疫系統(tǒng)清除,可以降低水產(chǎn)養(yǎng)殖疾病爆發(fā)幾率,而對于溴化呋喃酮在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用安全性還有待于深入研究。

4 結(jié)論

本實驗研究了QS抑制劑溴化呋喃酮在非抑菌濃度下對水產(chǎn)養(yǎng)殖致病菌鰻弧菌QS系統(tǒng)和毒力因子表達的影響。研究顯示亞抑菌濃度溴化呋喃酮不但能顯著抑制鰻弧菌QS相關(guān)基因表達,減少AI-2信號分子的分泌,且對鰻弧菌生物膜、胞外酶、運動能力有抑制效果。

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(責(zé)任編輯 狄艷紅)

Inhibition of Brominated Furanone to Quorum Sensing Regulating Behaviors of Vibrio anguillarum

PAN Yu-rong ZHANG Cai-li ZHU Su-qin ZENG Ming-yong
(College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266003)

The present study aims to investigate the inhibition effect of a quorum sensing(QS)inhibitor,brominated furanone(BMF),on the QS-related genes and pathogenic factor of Vibrio anguillarum. The effects of BMF on the expressions of QS-related genes(vanI/R and luxS)were determined by RT-PCR at sub-minimal inhibitory concentration(MIC). The role of BMF in the formation of biofilm and flagellum was observed by flagellum staining,and the role of BMF in the extracellular enzyme were detected by plate diffusion method. The results indicated that BMF with sub-MIC significantly suppressed the expression of vanI/R and luxS,reduced the capacity of V. anguillarum secreting protease and gelatinase,and inhibited the growth of flagellum and formation of biofilm,i.e.,the alleviated its moving ability.

brominated furanone;Vibrio anguillarum;quorum sensing;flagellum;extracellular enzyme;biofilm

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.04.030

2016-10-17

國家自然科學(xué)基金項目(31071613)

潘玉榮,女,碩士研究生,研究方向:QS抑制劑;E-mail:944193302@qq.com

曾名湧,教授、博士生導(dǎo)師,研究方向:水產(chǎn)品高值化利用;E-mail:mingyz@ouc.edu.cn

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