转录组测序揭示了单核细胞增生李斯特菌6179在对数生长期和稳定生长期中不同的应激反应

《MicrobiologyOpen》：Transcriptome Sequencing Reveals Distinct Stress Response of Listeria monocytogenes 6179 During Logarithmic and Stationary Growth Phases

　　本研究利用转录组测序分析李斯特菌6179株在不同生长相位（对数期和静止期）下对乳酸和过氧化氢应激的响应。结果显示，静止期细胞通过σB调控的基因（如GAD系统、USP家族）和KEGG通路（如manganese ABC转运系统）更显著响应酸和氧化应激，而对数期细胞则通过硫传递系统（如TcyKLMN、CtaP）增强抗性，且两者在基因表达方向上存在显著差异。研究揭示了生长相位对李斯特菌应激响应基因表达模式的关键影响，为食品中李斯特菌防控提供了新机制依据。

　　### 基于生长阶段的 *Listeria monocytogenes* 基因表达差异研究

在食品生产和加工环境中，*Listeria monocytogenes* 这种食源性病原体因其对各种压力的耐受性而长期存在，从而对食品安全构成威胁。尽管该菌株在这些环境中展现出较强的生存能力，但关于其在不同生长阶段中对压力的基因表达反应，目前的研究仍存在不足。本文旨在探讨 *L. monocytogenes* 在对乳酸和氧化压力的响应中，其在对数生长期和静止生长期所表现出的基因表达差异，以揭示其在不同环境条件下如何调整自身基因组，从而提高生存能力。

#### 生长阶段对基因表达的影响

在 *L. monocytogenes* 的生长周期中，不同的阶段会导致基因表达模式的显著变化。在对数生长期，菌株主要关注细胞增殖、能量代谢以及氨基酸合成。这一阶段的细胞通常处于活跃生长状态，因此基因表达主要围绕维持生命活动和快速复制进行。而在静止生长期，菌株则倾向于上调与应激反应、毒力因子和替代σ因子相关的基因，如 σ^B^。σ^B^ 是一种关键的应激调节因子，它能够调控多个与应激反应和毒力相关的基因表达，帮助细菌在不利环境中维持生存。

研究显示，当 *L. monocytogenes* 6179 在静止生长期暴露于乳酸压力时，其基因表达的变化更为显著。具体而言，有 1809 个基因被显著上调或下调，其中 873 个基因被上调，936 个基因被下调。而当暴露于氧化压力时，静止生长期细胞有 184 个显著基因变化，其中 83 个基因被上调，101 个基因被下调。相比之下，对数生长期细胞在乳酸压力下的基因变化较少，仅有 175 个显著基因被检测到，其中 105 个被上调，70 个被下调。而在氧化压力下，对数生长期细胞则表现出更广泛的基因变化，共有 819 个显著基因被检测到，其中 304 个被上调，515 个被下调。

这一现象表明，静止生长期的菌株在面对压力时，基因表达的变化更加复杂且广泛，而对数生长期的菌株则表现出更有限的应激反应。静止生长期细胞的应激反应似乎更加依赖于 σ^B^ 相关的基因调控系统，而对数生长期细胞的应激反应则更多地受到其他调控机制的影响。

#### 乳酸压力下的基因表达变化

在乳酸压力下，静止生长期的 *L. monocytogenes* 6179 表现出强烈的基因表达变化。其中，一些关键基因如 *lmo2213* 和 *lmo0628* 被显著上调，这些基因编码的酶可能在细胞应对酸性环境时起到重要作用。此外，非编码 RNA *rli47* 也被强烈上调，这表明它在压力应激反应中可能具有调控作用。

对于对数生长期细胞，乳酸压力下的基因表达变化则相对有限。虽然有 175 个基因被显著上调或下调，但其变化幅度和范围较小。这可能是因为对数生长期的细胞更专注于自身的生长和繁殖，而不是应激反应。然而，值得注意的是，对数生长期细胞在乳酸压力下仍表现出一定的应激反应，如上调一些与膜运输相关的基因，如 *lmo0135*、*lmo0136* 和 *lmo0137*，这些基因可能在细胞维持膜结构稳定和应对压力中发挥作用。

#### 氧化压力下的基因表达变化

当 *L. monocytogenes* 6179 面对氧化压力时，静止生长期细胞表现出的基因表达变化与乳酸压力下的类似，但其变化范围较小。在氧化压力下，静止生长期细胞有 184 个基因被显著调控，其中 83 个被上调，101 个被下调。而在对数生长期细胞中，氧化压力导致了 819 个基因的变化，其中 304 个被上调，515 个被下调。

在氧化压力下，一些与应激反应相关的基因如 *glmS* 和 *bsh* 被显著上调。*glmS* 编码一种参与细胞壁合成的酶，其表达可能与氧化压力下的细胞结构稳定性有关。而 *bsh* 则是一种胆盐水解酶，能够帮助细菌在宿主肠道中存活。此外，一些基因如 *lmo2230* 也在氧化压力下被上调，表明它们在应对氧化压力中可能具有重要作用。

然而，静止生长期细胞在氧化压力下的基因表达变化不如乳酸压力下那么广泛，这可能与静止生长期细胞的代谢状态有关。在静止生长期，细胞的代谢活动减弱，更多地依赖于应激反应基因的调控。而在对数生长期，细胞的代谢活动更为活跃，因此在面对氧化压力时，基因表达的变化可能更加多样化。

#### 基因表达的差异与调控机制

通过比较静止生长期和对数生长期细胞在面对乳酸和氧化压力时的基因表达变化，研究发现了一些显著的差异。例如，在乳酸压力下，静止生长期细胞中有 29 个上调的基因属于 σ^B^ 调控系统，而对数生长期细胞中仅有 3 个上调的基因属于该系统。这表明 σ^B^ 在静止生长期的应激反应中发挥着更为重要的作用。

此外，研究还发现一些基因在两种生长阶段中表现出相反的表达趋势。例如，*lmo2673* 在静止生长期被显著上调，而在对数生长期则被下调。这可能意味着该基因在不同的生长阶段中具有不同的功能，或者其表达受到其他调控机制的影响。

#### 基因表达的调控网络

通过基因集合富集分析（GSEA），研究进一步揭示了不同压力条件下，哪些基因集合被显著富集。例如，在静止生长期细胞中，乳酸压力导致了多个与细胞壁合成、代谢和毒力相关的基因集合被富集。而在对数生长期细胞中，乳酸压力则主要影响了一些与膜运输和代谢相关的基因集合。

在氧化压力下，静止生长期细胞中，与细胞壁合成和氧化应激相关的基因集合被显著富集。而对数生长期细胞中，一些与膜运输和代谢相关的基因集合则被显著上调。这表明，尽管两种生长阶段的细胞都面临相同的压力条件，但它们的基因调控网络存在显著差异。

#### 应激反应中的关键基因

研究中发现了一些在应激反应中具有重要作用的基因。例如，*lmo2213* 在乳酸压力下被显著上调，它可能参与细胞内的酸性环境适应。*lmo0628* 也表现出类似的上调趋势，但其具体功能仍需进一步研究。此外，*rli47* 在乳酸压力下被显著上调，这可能表明它在调控细胞应激反应中起到关键作用。

在氧化压力下，*glmS* 和 *bsh* 等基因的上调表明它们在细胞应对氧化压力中可能具有重要功能。*lmo2230* 也被上调，这进一步支持了它在氧化应激反应中的潜在作用。然而，*lmo0596* 在对数生长期被显著下调，而在静止生长期则被上调，这可能意味着它在不同生长阶段中具有不同的调控机制。

#### 基因表达的动态变化

研究还发现，基因表达的变化在不同的压力条件下呈现出动态的特征。例如，在乳酸压力下，静止生长期细胞的基因表达变化更为显著，而在氧化压力下，对数生长期细胞的基因表达变化则更为广泛。这表明，不同压力条件下的基因表达调控机制可能存在差异。

此外，研究还发现了一些基因在不同生长阶段中表现出不同的表达模式。例如，*lmo2673* 在静止生长期被显著上调，而在对数生长期则被下调。这可能意味着该基因在不同的生长阶段中具有不同的功能，或者其表达受到其他调控因子的影响。

#### 基因表达与环境适应

基因表达的变化不仅反映了细菌对压力的响应，还揭示了其适应环境的能力。例如，*lmo2343*–*lmo2352* 操作子在乳酸和氧化压力下均被显著上调，这表明它们可能在应激反应中具有更广泛的调控作用。此外，*lmo0135*、*lmo0136* 和 *lmo0137* 在两种压力条件下均被上调，这可能意味着它们在细菌的应激反应中具有重要的作用。

#### 结论

综上所述，*L. monocytogenes* 在面对乳酸和氧化压力时，其基因表达的变化在不同生长阶段中表现出显著差异。静止生长期细胞的应激反应似乎更加依赖于 σ^B^ 调控系统，而对数生长期细胞则表现出更广泛的基因表达变化。这些发现不仅有助于理解 *L. monocytogenes* 在不同环境条件下的生存策略，还为开发更有效的杀菌和防控措施提供了理论依据。未来的研究可以进一步探讨这些基因的具体功能及其在应激反应中的调控机制，以期为食品安全和公共卫生提供更深入的见解。