Nucleic Acids Research
细菌Type I RM系统通过转录因子甲基化增强致病性

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本研究系统分析了4273个原核生物基因组中Type I RM系统的分布特征，揭示其与基因组稳定性和致病性之间的关联。研究进一步通过构建RM系统缺失菌株，发现其在细菌运动性和宿主定植中的关键作用，为理解RM系统在细菌进化与致病性中的功能提供了重要线索。

 

文献概述
本文《Horizontal acquisition of the Type I restriction–modification system enhances bacterial pathogenicity by mediating methylation of transcription factor-encoding genes》，发表于Nucleic Acids Research杂志，回顾并总结了细菌中Type I RM系统的分布模式、进化轨迹及其在细菌致病性中的功能。研究显示，RMS型RM系统在进化过程中通过基因重复、水平转移和基因丢失事件逐步稳定，其缺失显著影响细菌的致病能力。文章为RM系统在基因调控与致病性中的分子机制提供了新的视角。

背景知识
Type I RM系统是一类由hsdR、hsdM和hsdS基因编码的限制-修饰系统，广泛存在于原核生物中，主要功能是保护宿主基因组免受外源DNA的入侵。近年来，RM系统也被发现参与调控细菌致病性与基因表达。尽管RM系统在基因组防御中的作用已被广泛研究，其在稳定遗传后对细菌致病性的调控机制仍不完全清楚。细菌致病性与转录因子、鞭毛合成及趋化性密切相关，而这些过程可能受到RM系统介导的DNA甲基化影响。因此，研究RM系统在基因调控中的作用，有助于揭示其在细菌进化中的功能约束和分子机制。本研究选取Aeromonas veronii作为模式生物，系统分析RM系统在致病性中的作用，填补了当前对RMS型RM系统调控机制的认知空白。

 

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研究方法与实验
研究团队通过REBASE数据库提取hsd基因的蛋白序列，并使用MMseq2进行去冗余处理，构建HMM模型以识别不同RM系统配置。从NCBI数据库下载4019个细菌和254个古菌的基因组数据，使用hmmsearch进行基因筛选。此外，从RefSeq数据库获取41个A. veronii菌株的基因组数据，使用VIBRANT检测前噬菌体。构建系统发育树使用GTDB-Tk和FastTree，分析基因重复、HGT和基因丢失事件。通过同源重组方法构建RMS缺失菌株，并使用透射电镜观察鞭毛形态。感染实验通过腹腔注射小鼠进行，检测器官定植和病理变化。转录组和甲基化组测序用于分析RMS调控的基因网络，MotifMaker工具识别甲基化靶向位点，并通过RT-qPCR验证关键基因的表达差异。

关键结论与观点

• Type I RM系统在原核生物中存在多种基因排列，其中RMS（5′-hsdR, hsdM, hsdS-3′）是进化上最稳定的配置，广泛存在于Fusobacteriota和Desulfobacterota等门中。
• 基因组分析显示，RMS型RM系统与前噬菌体存在正相关，提示前噬菌体可能是RMS的载体，通过水平基因转移促进其传播。
• 在A. veronii中，RMS型RM系统与菌株来源密切相关，水生菌株中RMS更为常见，而临床菌株中RM系统较少，表明生态位影响RM系统分布。
• RMS缺失导致A. veronii鞭毛缺失，感染能力显著下降，且无法有效定植小鼠器官。回补实验显示部分恢复，但鞭毛未完全重建，说明RMS可能通过甲基化间接调控鞭毛相关基因。
• 甲基化测序识别出RMS特异性靶向位点，这些位点主要富集在转录因子基因体中。RMS通过甲基化调控转录因子表达，从而影响鞭毛组装和趋化性相关基因表达，建立了一个潜在的调控级联。
• RT-qPCR验证了多个转录因子（如rpoN、rpoS、flrA）及其下游基因（如flgO、fliC、cheV）的表达水平在RMS缺失菌株中显著下调，进一步支持RMS的调控功能。

研究意义与展望
该研究揭示了RMS型RM系统在细菌进化和致病性中的重要功能，为RM系统在基因调控中的角色提供了新的证据。未来研究可进一步探索RM系统在不同细菌中的调控机制，以及其在适应性进化中的功能约束。

 

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结语
本研究首次系统分析了Type I RM系统在4273个原核生物基因组中的分布特征，并重构其进化轨迹。通过构建RMS缺失菌株，研究发现RMS系统在调控转录因子表达、鞭毛合成和小鼠定植中具有关键作用。RMS通过DNA甲基化影响转录因子编码基因的表达，从而间接调控下游致病性相关基因，如鞭毛和趋化性基因。这些发现不仅揭示了RMS在基因组进化和致病性中的双重功能，也为进一步研究RM系统在细菌适应环境与宿主免疫逃逸中的作用提供了理论依据。研究结果为理解RM系统在原核生物适应性进化中的作用提供了新的框架，有助于拓展其在合成生物学与基因工程中的应用。

 

Jiayue Ma, Xiaoli Jiang, Haixin Bi, Zhu Liu, and Hong Li. Horizontal acquisition of the Type I restriction–modification system enhances bacterial pathogenicity by mediating methylation of transcription factor-encoding genes. Nucleic Acids Research.