1月11日，中国科学院上海免疫与感染研究所晁彦杰研究员团队在《美国科学院院刊》（PNAS）上发表了题为 “An RNase III-processed sRNA coordinates sialic acid metabolism of Salmonella enterica during gut colonization” 的研究论文，揭示了肠道沙门氏菌如何通过非编码小RNA在转录后水平协调N-乙酰神经氨酸代谢过程中不同氨基糖操纵子转录产物的机制。

唾液酸 (Sialic acid) 是一类以九碳糖神经氨酸为基本结构的衍生物，生命体中常见的唾液酸为N-乙酰神经氨酸 (Neu5Ac)，富集于哺乳动物上皮细胞表面，不仅是许多病毒入侵的受体，也是肠道病原菌如鼠伤寒沙门氏菌的重要碳源。细菌在代谢利用N-乙酰神经氨酸的过程中，会产生如N-乙酰葡萄糖胺 (GluNAc)、N-乙酰甘露糖胺 (ManNAc)等多种不同的氨基糖类衍生物，进而作为单糖单元参与合成细胞壁或荚膜多糖等生命大分子。为代谢利用多种不同类型的氨基糖衍生物，细菌进化出了多种对应的操纵子，分别编码特定的糖质转运蛋白和酶来进行代谢。然而，肠道病原菌如何在唾液酸代谢过程中协同这些不同氨基糖类代谢系统，从而更好地适应肠道环境、建立感染的协调机制尚不清楚。

研究人员通过比较基因组学的方法，在致病性肠道沙门氏菌中发现了一个独特的基因岛，含五个功能未知的蛋白和一个潜在的非编码小RNA。通过AlphaFold结构预测，结合基因敲除、基因表达检测、转录活性检测、生长曲线测定等手段，研究者发现该基因岛主要负责代谢N-乙酰神经氨酸代谢的第一步产物、也是其合成的前体——N-乙酰甘露糖胺，证明这是一个被N-乙酰甘露糖胺激活转录表达的多基因操纵子。进一步分析该操纵子结构，发现其mRNA 3’UTR经剪切加工产生一个长约80 nt的新型非编码小RNA（命名为ManS），并解析了一个全新的小RNA生成机制：核酸酶RNase III通过识别3’UTR双链结构中的“泡”状结构，对RNA单链进行非经典的不完全切割而生成小RNA。该机制与晁彦杰研究组前期发现的RNase E介导的RNA单链切割机制相比具有显著不同 (Chao et al., Mol Cell, 2016; 2017)，可能是一种较为特殊的RNA剪切加工方式。

进一步对该小RNA的生物学功能进行探索发现，ManS可以通过头尾两个富含胞嘧啶和尿嘧啶的种子区域（R1/R2），与不同的、主要参与细菌碳源和氨基酸代谢的编码基因mRNA上的核糖体识别区域结合，从而阻扰翻译的开始以抑制其表达。ManS可以通过调整自身的表达量、产生不同大小的加工产物，在不同碳源环境下对其靶基因进行选择性调控，从而协调细菌在N-乙酰神经氨酸代谢过程中产生的不同代谢产物所激活的通路，协助肠道沙门氏菌在宿主体内更好地定植以建立感染。因此，本研究不仅发现了一个新的原核细菌mRNA衍生为非编码RNA的加工方式，阐明了细菌如何在转录后水平协调不同代谢通路的产物生成的机制，也发现了N-乙酰神经氨酸的合成前体物质——N-乙酰甘露糖胺在肠道病原菌定植与感染过程中的重要作用。

图：肠道沙门氏菌非编码小RNA ManS协同N-乙酰神经氨酸代谢过程中不同氨基糖代谢通路的示意图。来源于环境中或N-乙酰神经氨酸代谢产生的N-乙酰甘露糖胺激活肠道沙门氏菌特异基因岛STM1127-STM1131的表达。核酸酶RNase III通过识别来自于该基因岛的转录本STM1129-STM128 mRNA末端的双链区域的“泡”状结构进行不完全切割，产生ManS的前体并进一步被其它核酸酶加工成不同大小。ManS通过两个调控区域（红色标记）来对N-乙酰葡萄糖胺等代谢通路进行选择性调控。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2414563122

中国科学院上海免疫与感染研究所晁彦杰研究员、复旦大学基础医学院病原生物学系王川副教授为文章的共同通讯作者。研究所与复旦大学联合培养研究生陈梓滢、复旦大学基础医学院研究生杨耀梅为文章共同第一作者。该研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中国科学院B类先导等科研项目的资助。

【研究组简介】

微生物RNA系统生物学研究组（负责人：晁彦杰研究员）以人体重要病原菌和共生菌为研究对象（如肠道沙门菌、肺炎克雷伯菌等），利用独特的高通量测序技术和功能基因组实验方法，系统鉴定新型的非编码小RNA、RNA结合蛋白并解析其功能与机制，加深对微生物感染致病、耐药持留、宿主互作和共生机制的认识。课题组主持承担多项国家级人才与科研项目，在Nature, Mol Cell, Nature Comm, PNAS, EMBO J, EMBO Mol Medicine, Trends in Microbiol, Emerging Microb & Infections等国际期刊发表30多篇高水平论文，引用超过7000次，欢迎有志青年加入开展博士后研究工作。

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