研究背景

高静水压（HHP）对微生物细胞过程产生严重影响，可能导致细胞分裂受损、活力丧失、酶活性降低甚至死亡。深海微生物已进化出多种策略来适应高压环境，HHP调节基因表达是微生物适应深海环境最常用的策略之一。两种已知的HHP依赖性调节系统NtrBC和ToxRS系统分别来自深海菌株Shewanella violacea DSS12、Photobacter profumdum SS9。然而，到目前为止，关于压力响应调节器的研究有限，并且调节机制仍不清楚。

三甲胺N-氧化物（TMAO）是一种广泛存在于海水中的叔胺氧化物，作为渗透剂和压电剂，有利于深海生物适应低温高压环境。TMAO还原酶（TorA）催化TMAO还原为三甲胺（TMA），Tor在大肠杆菌中得到了最广泛的研究。一直以来，TMAO还原酶的表达被认为受到底物的严格调控。直到发现HHP诱导的TMAO还原酶在几种深海细菌中的表达。

来自中国科学院深海所的吴龙飞研究员和张维佳博士，在此前研究中表明，HHP诱导的TMAO还原酶可提高深海菌株Vibrio fluvialis QY27的压力耐受性。在这项研究中，他们研究了TMAO还原酶TorA的HHP响应性调控的分子机制。通过构建TorRS双组分系统突变体--torR和torS缺失突变体，证明了双组分调节因子TorR和传感器TorS负责torA的HHP响应调节。与两种已知的HHP反应调控系统不同，torR和torS的表达水平不受HHP的影响。此外，与已有的底物依赖的信号转导途径不同，HHP响应性磷酸化路径只需要三个底物相关磷酸化位点中的一个。研究结果说明了TorS介导的HHP响应调节，并提出了在信号传递水平上TorRS调节系统的一种新颖的调节机制。

研究结果

首先研究了HHP对不同生长环境（好氧和微需氧条件下）下的TorA表达影响。

数据显示与需氧条件下相比，TMAO在微需氧条件下的消耗更快（微需氧条件下为12 h，而需氧条件下为20 h）。

总之，在好氧和微氧条件下，压力升高都上调了torA，但在有氧条件下的指数期和微需氧条件下的固定期诱导TorA更为显著。为了尽量减少氧气的干扰并专注于TorA的HHP依赖性调节，本研究使用了微需氧培养条件。

QY27在微氧和好氧条件下的生长、TMAO消耗和TorA的表达图

2、torA的HHP响应诱导

参与TorA合成的八种成分：两组TMAO还原酶催化亚基（TorA和TorZ）和相应的细胞色素c（TorC和TorY），TMAO还原酶成熟伴侣TorD，周质底物TMAO结合蛋白TorT，以及由TorS（组氨酸激酶）和TorR（反应调节剂）组成的底物反应性双组分调节系统。

这些基因分散在四个基因座中如下图所示。虽然torS和torR分别与torT和torD相邻，但它们转录方向相反。torS和torR位于反向链上，位于正向链上的torT和torD的上游。序列分析表明，来自菌株QY27的TorS和TorR在氨基酸序列中与大肠杆菌的同源物分别只有33%和53%的同源性。

菌株QY27基因组中参与TorA合成基因的四个基因座图

研究人员构建了torR和torS的缺失突变体。torR或torS突变导致底物依赖性调控消失和HHP反应性调控严重受损，表明了TorRS调节系统同时负责底物和HHP对深海菌株QY27 TMAO还原酶的响应性调节。

ΔtorR和ΔtorS突变体的生长、TMAO消耗和TMAO还原酶表达的基因组织图

3、TorR和TorS的表达不受HHP的影响

两种已知的压力响应调节系统的一个共同特征是：调节剂（NtrC和ToxR）的丰度因压力的作用而改变。这项研究分析了野生型菌株和两种突变体中TorR和TorS的丰度。

WB显示，野生型QY27菌株和ΔtorS突变菌株在不同压力下生长的TorR和torR转录本的丰度相当；qPCR分析显示，torS转录不受高压或torR删除的影响。

结果表明，与已知的HHP依赖性调节系统NtrBC和ToxRS不同，TorRS系统可能通过不同的机制调节响应HHP的基因表达。

压力升高对TorR和TorS表达的影响图

4、TorS中参与HHP响应调节的磷酸化位点

在双组分调控系统中，信号的传递是通过一系列的磷酰化转移反应来实现的。QY27的TorS序列分析识别出一个保守的组氨酸激酶（HIS KIN）结构域、一个反应调节（RR）结构域和一个含组氨酸的磷酸转移（HPT）结构域，以及三个磷酸化位点（H⁴⁷⁹、D⁷⁶²和H⁹⁰²）。

研究分析，TorS经典递质结构域（H^479Q）中组氨酸的突变部分损害了底物依赖性调节，但对HHP依赖性调节没有影响。传感器接收域（D^762A）中天冬氨酸的突变仅保留了HHP响应性调节的功能，而替代递质结构域（H^902Q）中组氨酸的替换消除了对两种刺激的诱导torA的能力。

深海菌株QY27中TorRS系统的底物和HHP响应调节图

总之，TorS中所有3个保守的磷酸化位点都参与了菌株QY27的底物依赖性调控。然而，但仅位于C端替代递质结构域（H⁹⁰²）的组氨酸是HHP依赖性调节所必需的。

综上，研究人员确定了TorRS双组分系统负责TMAO还原酶的HHP响应性调控，并发现HHP触发了TorRS系统的新型信号转导通路。这些发现为响应HHP的能量代谢调控和微生物对深海环境的适应提供了新的理解。

本篇研究中的抗TorR抗体由强耀生物提供。