DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68622-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41571658
تاريخ النشر: 2026-01-22
المؤلف: Jiahui Huang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأغشية الحيوية البكتيرية وإحساس الكمية
نظرة عامة
الانتقال من العدوى الحادة المرتبطة بالحركة إلى العدوى المزمنة المرتبطة بالأغشية الحيوية أمر حاسم لبقاء البكتيريا داخل العوائل. تحدد هذه الدراسة إنزيمًا جديدًا يسمى إنويل-CoA هيدراتاز/إيزوميراز، PA0744 (المسمى DspII)، والذي، جنبًا إلى جنب مع DspI الذي تم وصفه سابقًا، يتم تنظيمه بشكل مشترك بطريقة تعتمد على كثافة الخلايا. يقوم هذا المركب DspII-DspI بتخليق إشارة استشعار الكثافة السكانية حمض cis-2-decenoic (CDA)، مما يعزز التعبير عن الفوسفاتيداز RbdA، وبالتالي يعزز تفريق الأغشية الحيوية والحركة الجماعية من خلال مسار c-di-GMP/FleQ.
علاوة على ذلك، يتعارض مركب DspII-DspI مع السلاسل الصغيرة المنظّمة بواسطة GacA، RsmY وRsmZ، مما يؤدي إلى زيادة التعبير عن نظام الإفراز من النوع الثالث (T3SS) وزيادة pathogenicity الحادة. يتم تعديل التفاعل بين DspII وDspI، بالإضافة إلى التعبير الجيني لـ T3SS، بواسطة مستويات CDA. تكشف هذه الأبحاث عن الدور المزدوج لمركب DspII-DspI في كل من تخليق CDA وتنظيم جينات T3SS، مما يبرز آلية تنظيم ذاتية معقدة مدفوعة بالإشارات البكتيرية التي تنظم التحول من الفوعة المزمنة إلى الحادة في Pseudomonas aeruginosa.
مقدمة
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون الآليات المعقدة الكامنة وراء مسببات الأمراض البكتيرية، مع التركيز بشكل خاص على الانتقال بين العدوى الحادة والمزمنة في *Pseudomonas aeruginosa*. يتميز المرحلة الأولية من العدوى بتعبير عوامل الفوعة، مثل نظام الإفراز من النوع الثالث (T3SS)، الذي يسهل غزو العائل. ومع ذلك، يمكن أن تحفز الإشارات البيئية مسببات الأمراض إما لتعزيز الفوعة أو الانتقال إلى حالة مزمنة تتميز بتكوين الأغشية الحيوية، حيث تصبح البكتيريا مقاومة للاستجابات المناعية والعلاجات المضادة للميكروبات. المحور الرئيسي لهذا التحول في الفوعة هو الرسول الثاني السيكلين di-GMP (c-di-GMP)، الذي ينظم تكوين الأغشية الحيوية وتفريقها.
تحدد الأبحاث إنزيمًا جديدًا يسمى إنويل-CoA هيدراتاز/إيزوميراز، PA0744 (المسمى DspII)، الذي يعمل بالتعاون مع DspI لتخليق حمض cis-2-decenoic (CDA)، وهو جزيء استشعار الكثافة السكانية الذي يعزز التحول من الفوعة المزمنة إلى الحادة عن طريق تقليل مستويات c-di-GMP داخل الخلايا. بالإضافة إلى ذلك، يلعب مركب DspII-DspI دورًا غير إنزيمي في تنظيم التعبير الجيني لـ T3SS من خلال التفاعل مع المنظم الاستجابي GacA ومروج RNA الصغيرة RsmZ. من الجدير بالذكر أن تشكيل هذا المركب وتفاعله مع الحمض النووي يتم تعديله بواسطة CDA، مما يبرز شبكة تنظيمية معقدة تحكم التحول في الفوعة في *P. aeruginosa*.
طرق
يحدد قسم “الطرق” الأساليب التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح تصميم التجارب، بما في ذلك اختيار الموضوعات، والمواد المستخدمة، والإجراءات المحددة المتبعة لضمان إمكانية التكرار. تم إجراء تحليلات إحصائية لتقييم أهمية النتائج، باستخدام تقنيات مثل تحليل الانحدار واختبار الفرضيات لاستخلاص الاستنتاجات من البيانات المجمعة.
علاوة على ذلك، يصف القسم أي نماذج حسابية أو محاكاة تم استخدامها لدعم النتائج، مع تحديد الخوارزميات وأدوات البرمجيات المطبقة. تم تصميم المنهجية لمعالجة أسئلة البحث بفعالية مع تقليل التحيزات والأخطاء، مما يعزز موثوقية النتائج التي تم الحصول عليها. بشكل عام، توفر الطرق المستخدمة إطارًا قويًا لفهم الظواهر قيد التحقيق.
نتائج
تحدد الدراسة إنزيمًا جديدًا يسمى إنويل-CoA هيدراتاز/إيزوميراز، PA0744، في Pseudomonas aeruginosa PAO1، والذي يُعتقد أنه مرتبط بالانتقال من الفوعة المزمنة إلى الحادة. كشفت التحليلات الجينومية المنهجية عن 12 جينًا ترمز لإنزيمات محتملة من نوع إنويل-CoA هيدراتاز/إيزوميراز، حيث أظهر PA0744 حوالي 27.85% تشابه مع DspI الذي تم وصفه سابقًا (PA0745). أظهرت التجارب الوظيفية أن حذف PA0744، جنبًا إلى جنب مع DspI، أدى إلى تراكم كبير للأغشية الحيوية، مما يشير إلى أدوارهم الأساسية في تفريق الأغشية الحيوية وتعديل الفوعة.
كشفت التحقيقات الإضافية في السياق الجيني لـ PA0744 أنه جزء من مجموعة جينية (PA0743-PA0747) تشارك في العمليات الأيضية، مع الجين المجاور PA0748 المتوقع أن يعمل كمنظم نسخي محلي. ومع ذلك، أثر حذف PA0744 وDspI فقط على إنتاج الأغشية الحيوية والحركة الجماعية، بينما لم تؤثر عمليات الحذف للجينات المجاورة الأخرى. أظهر الطافرة المزدوجة ΔPA0744ΔdspI أنماط ظاهرة مشابهة للطفيرات الفردية، واستعادت تجارب التكامل الخصائص البرية، مما يشير إلى أن PA0744 وDspI تعملان ضمن نفس المسار التنظيمي الذي يؤثر على الفوعة.
مناقشة
في هذه الدراسة، نوضح الأدوار الحاسمة لـ DspII (PA0744) وDspI في تخليق إشارة استشعار الكثافة السكانية المعتمدة على كثافة الخلايا (QS)، حمض cis-2-decenoic (CDA)، في *Pseudomonas aeruginosa*. تظهر نتائجنا أن التعبير عن PA0744 وdspI يتم تنظيمه بشكل متبادل، حيث أن كلا الجينين ضروريان لتخليق النسخ لمجموعة PA0743-PA0747. من الجدير بالذكر أن التعبير المشترك لـ DspII وDspI أمر حاسم لإنتاج CDA، كما يتضح من عدم قدرة الطفرات التي تفتقر إلى أي من الجينين على استعادة تخليق CDA عند التكامل. علاوة على ذلك، نكشف أن CDA يحفز تفريق الأغشية الحيوية والحركة الجماعية من خلال تنظيم سلبي لتخليق البوليمر الخارجي Psl وتنظيم إيجابي لتخليق الأهداب، مما يسهل الانتقال من نمط حياة ثابت إلى نمط حياة متحرك.
نستكشف أيضًا الآليات الكامنة وراء عمل CDA، حيث نحدد الرسول الثاني c-di-GMP كلاعب رئيسي في التحول من الفوعة المزمنة إلى الحادة. تم ربط المستويات المرتفعة من c-di-GMP في الطفرات التي تفتقر إلى DspII أو DspI بانخفاض الحركة الجماعية وتفريق الأغشية الحيوية، والتي يمكن عكسها من خلال التعبير عن فوسفاتيداز، RbdA، الذي يقلل من مستويات c-di-GMP. بالإضافة إلى ذلك، نوضح أن DspII وDspI ينظمان بشكل تآزري التعبير الجيني لنظام الإفراز من النوع الثالث (T3SS)، وهو عامل حاسم في مسببات الأمراض الحادة، من خلال آلية تتجاوز مسار c-di-GMP. لا تبرز هذه الدراسة فقط الاعتماد الوظيفي المتبادل بين DspII وDspI في تخليق CDA، ولكنها تؤكد أيضًا أدوارهم في تعديل التعبير عن عوامل الفوعة، مما يضعهم كأهداف محتملة للتدخل العلاجي في عدوى *P. aeruginosa*.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68622-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41571658
Publication Date: 2026-01-22
Author(s): Jiahui Huang et al.
Primary Topic: Bacterial biofilms and quorum sensing
Overview
The transition from motility-associated acute infection to biofilm-associated chronic infection is critical for the survival of bacteria within hosts. This study identifies a novel enoyl-CoA hydratase/isomerase, PA0744 (designated as DspII), which, along with the previously characterized DspI, is co-upregulated in a cell density-dependent manner. This DspII-DspI heterocomplex synthesizes the quorum sensing signal cis-2-decenoic acid (CDA), which enhances the expression of the phosphodiesterase RbdA, thereby promoting biofilm dispersion and swarming motility through the c-di-GMP/FleQ pathway.
Furthermore, the DspII-DspI complex antagonizes GacA-upregulated sRNAs, RsmY and RsmZ, resulting in increased type III secretion system (T3SS) expression and heightened acute pathogenicity. The interaction between DspII and DspI, as well as T3SS gene expression, is modulated by CDA levels. This research reveals the dual role of the DspII-DspI complex in both CDA biosynthesis and T3SS gene regulation, highlighting a sophisticated bacterial signal-driven auto-regulatory mechanism that orchestrates the chronic-to-acute virulence switch in Pseudomonas aeruginosa.
Introduction
In this study, the authors investigate the complex mechanisms underlying bacterial pathogenesis, particularly focusing on the transition between acute and chronic infections in *Pseudomonas aeruginosa*. The initial phase of infection is marked by the expression of virulence factors, such as the type III secretion system (T3SS), which facilitate host invasion. However, environmental cues can prompt pathogens to either enhance virulence or shift to a chronic state characterized by biofilm formation, where bacteria become resistant to immune responses and antimicrobial treatments. Central to this virulence switch is the second messenger cyclic di-GMP (c-di-GMP), which regulates biofilm formation and dispersal.
The research identifies a novel enoyl-CoA hydratase/isomerase, PA0744 (designated as DspII), which works in conjunction with DspI to synthesize cis-2-decenoic acid (CDA), a quorum sensing molecule that promotes the chronic-to-acute virulence switch by decreasing intracellular c-di-GMP levels. Additionally, the DspII-DspI complex plays a non-enzymatic role in regulating T3SS gene expression by interacting with the response regulator GacA and the promoter of the small RNA RsmZ. Notably, the formation of this complex and its interaction with DNA are modulated by CDA, highlighting a sophisticated regulatory network that governs the virulence switch in *P. aeruginosa*.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical approaches employed in the study. It details the design of the experiments, including the selection of subjects, materials used, and the specific procedures followed to ensure reproducibility. Statistical analyses were conducted to evaluate the significance of the results, employing techniques such as regression analysis and hypothesis testing to draw conclusions from the data collected.
Additionally, the section describes any computational models or simulations utilized to support the findings, specifying the algorithms and software tools applied. The methodology is designed to address the research questions effectively while minimizing biases and errors, thereby enhancing the reliability of the results obtained. Overall, the methods employed provide a robust framework for understanding the phenomena under investigation.
Results
The study identifies a novel enoyl-CoA hydratase/isomerase, PA0744, in Pseudomonas aeruginosa PAO1, which is implicated in the transition from chronic to acute virulence. Systematic genomic analysis revealed 12 genes encoding potential enoyl-CoA hydratase/isomerases, with PA0744 showing approximately 27.85% similarity to the previously characterized DspI (PA0745). Functional assays demonstrated that deletion of PA0744, alongside DspI, resulted in significant biofilm accumulation, indicating their essential roles in biofilm dispersion and virulence modulation.
Further investigations into the genetic context of PA0744 revealed it is part of a gene cluster (PA0743-PA0747) involved in metabolic processes, with adjacent gene PA0748 predicted to function as a local transcriptional regulator. However, only the deletion of PA0744 and DspI affected biofilm production and swarming motility, while deletions of the other adjacent genes did not. The double mutant ΔPA0744ΔdspI exhibited similar phenotypes to the single mutants, and complementation experiments restored the wild-type characteristics, suggesting that PA0744 and DspI operate within the same regulatory pathway affecting virulence.
Discussion
In this study, we elucidate the critical roles of DspII (PA0744) and DspI in the biosynthesis of the cell density-dependent quorum sensing (QS) signal, cis-2-decenoic acid (CDA), in *Pseudomonas aeruginosa*. Our findings demonstrate that the expression of PA0744 and dspI is reciprocally regulated, with both genes essential for the transcription of the PA0743-PA0747 operon. Notably, the co-expression of DspII and DspI is crucial for CDA production, as evidenced by the inability of mutants lacking either gene to restore CDA biosynthesis upon complementation. Furthermore, we reveal that CDA induces biofilm dispersion and swarming motility by negatively regulating the biosynthesis of the exopolysaccharide Psl and positively regulating flagellar biosynthesis, thereby facilitating a transition from a sessile to a motile lifestyle.
We also explore the underlying mechanisms of CDA’s action, identifying the second messenger c-di-GMP as a key player in the chronic-to-acute virulence switch. Elevated levels of c-di-GMP in mutants lacking DspII or DspI were linked to reduced swarming motility and biofilm dispersion, which could be reversed by the expression of a phosphodiesterase, RbdA, that lowers c-di-GMP levels. Additionally, we demonstrate that DspII and DspI synergistically upregulate type III secretion system (T3SS) gene expression, a critical factor in acute pathogenesis, through a mechanism that bypasses the c-di-GMP pathway. This study not only highlights the functional interdependence of DspII and DspI in CDA biosynthesis but also underscores their roles in modulating virulence factor expression, positioning them as potential targets for therapeutic intervention in *P. aeruginosa* infections.