摘 要： RpoN蛋白是RNA聚合酶的一种σ因子，随着近年来对于RpoN基因功能的探索，其多种功能被发现，如胁迫应答、调控氮源及碳源的利用、调控细菌运动性及毒力等。本文对不同种属细菌中RpoN基因的功能进行整理，旨在为深入研究不同细菌RpoN蛋白功能奠定基础。
关键词： RpoN蛋白; 转录; 表达调控;
Abstract： RpoN protein is a sigma factor of RNA polymerase. In recent years, many functions were found with the exploration ofrpoN gene fuction.Such as forced response, regulate and control the use of nitrogen source and carbon source, regulation of bacterial motility and virulence. In this paper, to organize the function of RpoN genes in different species of bacteria. It's aims to lay a foundation for further study of the function of different bacterial RpoN proteins and control of bacterial diseases.
Keyword： RpoN protein; Transcription; Express regulation;
RpoN是σ家族的唯一成员，最早在肺炎克雷伯氏菌中克隆得到，随后在固氮菌、根瘤菌、红细菌以及假单胞菌中也克隆到了类似序列，起初的研究认为RpoN仅仅与氮代谢相关，但后续的研究表明其还与逆迫应答、碳源的利用、运动及毒力等基因表达相关。近年来有关RpoN的研究报道逐年增多，它能够调控多个功能基因的转录与表达，在很多细菌中发挥至关重要的作用。
1、 σ因子简介
转录是生物合成的必要步骤，由多种蛋白共同作用，RNA聚合酶是该过程的重要蛋白，聚合酶全酶包括核心酶（α2ββ'）和σ因子两大部分，大多数σ因子是一类相对较小的蛋白家族，它们通过可逆地与聚合酶的核心酶结合并参与识别启动子。在转录的过程中，σ因子作为一种多肽不与DNA结合，RNA聚合酶全酶与启动子结合时可产生较牢固的复合物，在解旋的位置又可转变为较疏松的复合物。当全酶与σ因子分开后，核心酶沿着DNA链移动进行延伸，以此进行转录。原核生物可通过σ因子选择性的与启动子结合从而进行自身调节。根据序列的相似程度以及功能的差异，可将σ家族分为σ70（RpoD、RpoS、RpoH等）和 σ54（RpoN）家族，σ70在一般细菌中主要负责管家基因的调控；σ54（RpoN）控制一套多元化基因的转录，能调控很多不同基因的转录与表达。且不同σ因子之间存在相互作用。
RpoN是σ54家族中唯一的成员，在不同细菌中具有相似性。基于序列相似性的特点可将其分为3个区域：区域1由25-50个氨基酸构成α2螺旋，富含Leu和Gln；区域2为可变区域，包含60-110个氨基酸序列，多数为酸性氨基酸残基；区域3是序列的梭基端，大约含有400个残基，这个区域又包含三种典型的构象X-LINK构象、HTH构象和完全保守区的RpoNBOX（含有10个保守的氨基酸残基）[1]。
2、 RpoN的发现及功能初探
对于RpoN的研究最早见于1985年，Merrick和Gibbins在肺炎克雷伯氏菌中克隆到rpoN基因。随后，在固氮菌、根瘤菌、红细菌以及假单胞菌中也克隆到了类似序列。起初的研究认为RpoN仅仅与氮代谢相关，但后续的研究表明RpoN可调控多种生物学特性。
2.1、 RpoN在氮源调控的研究
自rpoN基因首次正式进入学者的视线中，其在氮代谢的功能最早被发现。一般来说，细菌中的氮循环都需要经过氨氧化、同化以及硝化的过程，当形成NH4+才能参与细菌的生命活动，供菌体利用。研究报道，RpoN的缺失会导致细菌对氮源利用能力的减弱甚至丧失。对大肠杆菌中rpoN基因进行敲除，缺失株与野生株相比较，NH4Cl利用能力明显下降；而丁香假单胞菌rpoN缺失株则无法利用氮源生长，同样的结果也出现在绿脓杆菌的rpoN缺失株的研究中[2]。
2.2、 RpoN在碳源调控的研究
对RpoN的研究最初见于细菌氮源同化上，但随着研究深入发现它在碳源调控中也扮演重要角色。在恶臭假单胞菌中，由于其生活条件较为复杂，有多种可被利用的碳源，当rpoN被缺失，其虽然可以在以苯乙烯为唯一碳源的培养基上正常生长，却不能在以苯乙酸为唯一碳源的培养基中生长，而野生菌株却可以在两种碳源中均可生长，其通过RT-PCR分析发现乙酸乙酯通透性酶编码基因paal无法在rpoN缺失株中表达，产生所谓的碳代谢抑制现象。除了直接调控某些碳代谢途径的关键酶外，RpoN还通过调控非编码RNA参与多种碳源的利用过程：丁香假单胞菌中存在CrcX参与碳调控过程；在绿脓杆菌中，还存在一个双组分系统CbrAB与RpoN共同调控crcZ、crcY的表达量从而影响碳代谢过程，绿脓杆菌rpoN缺失株中crcZ和crcY表达量下降[5]。进一步研究发现在其缺失株中仍能检测到crcZ、crcY的转录产物，只是这两个基因的转录受到RpoN的影响。
2.3、 调节细菌运动能力
2.3.、1参与细菌的鞭毛合成过程
运动是细菌趋化以及定殖的关键，细菌的重要运动器官是鞭毛，不同菌株的鞭毛合成过程类似，但其调控机制却存在很大差别。研究表明RpoN与细菌鞭毛的形成以及调控细菌的定殖存在一定关联。据报道，在绿脓杆菌中，rpoN的缺失导致其对上皮细胞的粘附力下降，通过电镜观察菌体完全丧失鞭毛结构；在迟钝爱德华氏菌中，RpoN的缺失也显着影响细菌的运动能力；在研究大肠杆菌rpoN也能发现与鞭毛的合成相关，控制着菌体的运动性，但并未发现rpoN识别保守结合位点，推测rpoN通过FlhDC间接调控鞭毛调节因子fliA的表达，或者rpoN与FliA共同调控鞭毛基因的转录和表达；通过透射电镜观察斯氏假单胞菌A1501rpoN缺失株发现缺失株无鞭毛，又通过趋化试验观察到该菌株丧失运动能力；由芯片技术发现绿脓杆菌rpoN缺失株中50个鞭毛基因中有43个基因的表达量发生明显变化。由此可见，RpoN在鞭毛基因的表达调控中扮演重要角色。
2.3.2、 参与菌毛合成过程
细菌的菌毛类型有：P菌毛、I型菌毛、IV菌毛等等，它与细菌的黏附、运动以及致病性密切相关。Ramphal等研究发现绿脓杆菌菌毛合成受到RpoN的调控，同时RpoN的缺失导致其菌体黏附能力显着下降[3]；在长奈瑟球菌以及假单胞菌RpoN缺失株中菌毛的合成及运动也会显着下降[4]。后续研究发现，很多革兰氏阴性菌RpoN对菌毛合成过程的影响主要源于PilA的调控，PilA受RpoN和PilR-pilS共同调控，PilS接受外界信号刺激后自身发生磷酸化，随后磷酸化PilR，磷酸化的PilR与RpoN共同激活PilA转录起始[5]，随后PilA通过翻译、组装、形成菌毛的基础结构。
2.4、 调控生物被膜合成及毒力相关
细菌的胞外多糖被认为与该细菌毒力、生物被膜合成能力及耐药性有很大关系。相关研究表明，在迟钝爱德华菌中rpoN缺失能导致生物被膜形成能力下降；在固氮施氏假单胞菌中rpoN的缺失却导致生物被膜形成能力丧失；但在鼠伤寒沙门氏菌中，rpoN缺失株却导致生物被膜形成能力增强，使细菌在不利条件下产生胞外聚合物黏附在介质表面，以固着的方式形成生物被膜，以便适应不利环境。所以说RpoN是重要的压力调控因子，这一发现为进一步研究RpoN调控生物被膜形成机制奠定了基础。细菌生物被膜存在于非生物或生物表面，一直被认为与病原菌毒力密切相关，其存在可以为病原菌抵抗不同的环境压力、避免免疫系统清除以及来自宿主的各种化学防御[6,7]，因此对于细菌被膜的研究从某种意义上就是对其毒力的研究。
3、 RpoN蛋白表达调控的研究
3.1、 RpoN蛋白调控其他σ因子表达
在革兰氏阳性菌中，σ因子之间相互的级联调控关系控制着连续的基因表达；而在革兰氏阴性菌中，σ因子控制着离散基因簇的表达[8]。σ因子之间的相互作用使得不同的压力信号得以整合从而产生相互协调的基因应答。有试验证实RpoN与RpoS之间存在拮抗作用，双缺失后在许多菌体中产生了相反的效应：比如迟钝爱德华氏菌中基因芯片结果显示RpoN调节子中60%受RpoS调控，RpoN的缺失对RpoS的表达具有正调控；σ70家族蛋白FliA受RpoN的正调控；在大肠杆菌中σ因子之间复杂的调控关系涉及到菌体运动性、氮源利用、压力调控以及其他细胞功能[9]。试验发现σ因子的相互作用是依赖于σ因子之间的相对含量以及它们对RNA聚合酶核心酶的亲和力。除此之外，相关研究表明，在鼠伤寒沙门氏菌中rpoN、rpoE、rpoH、rpoS、rpoD等σ因子在指数期和生物被膜形成期的基因表达有差异[10]。
3.2、控制rpoN转录的因子
RpoN作为一个σ因子，是细菌转录水平调控网络的一个重要组分，控制转录的因子主要有以下几种：
3.2.1、 c-di-GMP
c-di-GMP是细菌体内普遍存在的第二信使分子，它能够激活级联系统中蛋白的活性，它可以瞬间升高、且能快速降低，并由此调节细胞内代谢系统的酶活性，控制细胞的生命活动,包括:葡萄糖的摄取和利用、脂肪的储存和移动以及细胞产物的分泌。第二信使也控制着细胞的增殖、分化和生存,并参与基因转录的调节。相关研究表明，高浓度c-di-GMP调节生物膜的形成，低浓度c-di-GMP抑制生物膜的形成。c-di-GMP控制生物膜胞外多糖编码的产生，通过Bcam1330-Bcam1341基因推动细菌蛋白的提升。GMP与增强子结合调节生物膜胞外多糖的稳定并激活RpoN依赖的转录调节因子。c-di-GMP 作用的核开关是目前唯一发现的不参与代谢活动而参与信号传导的核开关, 其发现有利于解释c-di-GMP生物学功能的多样性。Fazli等研究表明在洋葱伯克霍尔德氏菌中rpoN的缺失株无生物膜合成能力，通过激活编码c-di-GMP后发现胞外多糖合成基因可在其中进行表达，因此可推测是c-di-GMP是RpoN的转录调节因子。但是对c-di-GMP 的确切调控机制目前仍不十分清楚, 还有待更深入的研究[11]。
3.2.2、 RpoN的启动子对转录的影响
启动子为转录的起始位点上游邻近的功能区。RpoN启动子的保守区分布在起始位点上游的-12和-24位置。很多细菌的转录都依赖于RpoN启动子，从而控制许多生物学特性，如趋化性或运动性[12]。在大肠杆菌中，有接近100个rpoN分子，但真正为rpoN依赖型启动子的数量却不到20个；在铁还原菌中，受到RpoN负调控的基因（如fliL、fdnG、nifEN）启动子区结合位点相对受正调控的基因（glnB、，dcuB）的位点更加保守，这些序列上的差异可能导致RpoN对不同基因的调控差异；还有实验向非典型RpoN依赖型启动子中人为引入保守结合元件，可导致RpoN与启动子结合能力增强。同时-12区的GC含量变化也会导致转录的能力的丧失。RpoN启动子参与调控多种代谢过程，甲苯和二甲苯的降解、二羧酸的输送、菌毛蛋白的合成、氮固定、氢摄取、鞭毛组装、精氨酸分解、藻蛋白酸盐生成、鼠李糖脂生成、乙偶姻分解苷露糖摄取和脯氨酸亚氨基肽酶激活[13]。因此，启动子对于RpoN的转录存在至关重要的影响。
3.2.3、 EBPs
RpoN的转录需要某些特定激活蛋白（enhance binding proteins）的参与，他们通过改变转录起始复合物构象来与转录复合物发生作用。激活蛋白结合在UAS区，并在宿主因子帮助下在UAS区与启动子之间插入一个回折。激活蛋白上σ54-RNAP核心酶结构域具有能水解ATP的腺苷酸三磷酸酶的活性[14]。增强蛋白属于双组分调节，当细菌处于低浓度氮源时，组氨酸激活酶NtrB促使NtrC磷酸化，从而结合到UAS区激活转录；高浓度氮源时，磷酸化的NtrC减少，非磷酸化的NtrC虽然会结合到UAS区，却无法激活转录的功能。在致病性钩端螺旋体中，通过对RpoN的激活蛋白FhlA的研究中发现，fhlA缺失株中LA1188、LA1968、amtB三个氮代谢相关基因的表达量均下调，推测其通过FhlA-RpoN信号通路从而影响转录。所以，激活蛋白对RpoN的转录是必不可少的。
4、 结语与展望
目前，在很多菌种中对RpoN都有一定的的研究。RpoN的缺失细菌在一些不同的环境压力下存活能力减弱，如酸碱性环境、高渗环境、饥饿条件、氧化耐受条件下存活能力改变，表明RpoN是重要的压力调控因子同时还调控氮源以及碳源的利用，对鞭毛以及生物被膜的合成也存在一定的关联，细菌对于基因的转录调控并不是简单的单一通路，细菌必须通过各种信号通路确保基因的表达，以适应不同的环境，其中RpoN就是典型的调控基因，RpoN作为一个σ因子，是细菌转录水平调控网络的一个重要组分，RpoN转录组水平的研究，对于调控细菌的研究机制来说，具有积极意义。
近年来由于环境的破坏以及抗生素的滥用，使得在养殖业中对细菌的病害防治越来越难。RpoN调控多种基因，由于RpoN的缺失也能导致细菌的致病能力的下降，因此RpoN的研究为细菌防治提供新的策略。σ家族调控的基因数量是非常大的，其次不同家族成员的多缺失情况下也会产生不同的结果。σ因子之间存在复杂的相互联系，之间的作用机制还有待我们深入研究。
另外，维氏气单胞菌广泛分布于自然环境中，动物感染后症状多为急性腹泻、菌血症、脑膜炎、心内膜炎等，近年来，维氏气单胞菌毒力逐渐增强，因此越来越多的研究人员开始对其产生兴趣。RpoN在很多菌属中是一系列毒力、压力、运动相关的重要调控者。之前关于维氏气单胞菌中未曾有过关于RpoN的报道（资料可查），因此构建其缺失株及其功能的研究具有重要意义。本实验室一直致力于维氏气单胞菌的研究，实验团队积极构建该基因的缺失株及互补株，为维氏气单胞菌RpoN功能研究奠定基础，同时，也为丰富不同菌株RpoN性质提供数据的支持。
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