极地中心在极地海洋细菌Csr sRNA介导的复杂动态调控研究取得新进展

     sRNA（small RNA）被视为原核生物基因组中的“暗物质”，在环境适应、生存竞争、物种互作等诸多方面发挥重要调控作用，是操控基因表达的“指挥官”。非模式极地微生物sRNA的研究正处于起步阶段。极地中心廖丽研究员围绕极地假交替单胞菌已开展了多项研究，前期从北极海洋中分离的Pseudoalteromonas fuliginea基因组中发现并鉴定了首个sRNA（命名为Pf1），揭示了Pf1介导的全局调控作用。近日，课题组在该方向上取得新进展，成果发表在Nature旗下期刊《Communications Biology》（中科院1区Top期刊）。论文题为“Dynamic and intricate regulation by the Csr sRNAs in the Arctic Pseudoalteromonas fuliginea”，第一作者为极地中心与上海交通大学联合培养博士生段泽东，通讯作者为廖丽研究员。

     Csr（Carbon Storage Regulator）系统是细菌中广泛存在的全局调控系统，主要由CsrA蛋白及其拮抗sRNA共同组成。CsrA通过结合mRNA调控多种细胞过程，而sRNA则通过竞争性结合CsrA来调节其功能。在前期发现的Pf1基础上，本研究发现了隐藏在基因组非编码区的另外两种新的Csr sRNA（命名为Pf2和Pf3，图1a、1b），并揭示了它们在Pseudoalteromonas fuliginea中的复杂调控网络。通过系列基因敲除与RIP-seq研究，证明3种sRNA之间存在互补关系（图1c），当敲除其中一种，另外两种sRNA便补偿性增多，但敲除2种以上，补偿平衡被打破，便会对生长和生理产生显著影响（图1d）。而这种影响通过CsrA靶标组的变化也得以体现。

图1. 两种新的Pf sRNA及其功能补偿关系。

（a.Pf2二级结构；b.Pf3二级结构；c.RIP-seq揭示的敲除突变中Pf sRNA丰度变化；d.不同敲除突变株的生长曲线）

      Pf sRNA的不同缺失显著改变了CsrA的靶标组，影响了多个关键基因的表达水平，涉及运动性、细胞膜稳定性、生物被膜形成、毒素分泌、碳代谢等生理过程（图2）。这些影响也得到了实验证明，例如1~3种Pf sRNA的缺失显著增强了细菌的游动能力，表明这些sRNA可能通过调控鞭毛相关基因影响细菌运动；它们的缺失还导致生物被膜合成受阻，意味着Pf sRNA影响细菌在环境中的附着、生存甚至条件性致病。通过全基因组筛选，本研究鉴定出一批可能受CsrA调控的基因，包括与代谢调控、信号传导和抵抗环境胁迫相关的基因，提示Csr系统可能通过调节特定靶基因来增强细菌对极端环境的适应性。

图 2. Csr系统调控网络总结。

      此外，本研究发现CsrA不仅与Pf sRNA、mRNA相互作用，还与其他sRNA发生交互调控，并预测出Csr和Hfq两大调控系统之间可能通过未知的sRNA交联（图3）。而Pf sRNA的缺失影响了CsrA与其他sRNA的结合模式，表明不同sRNA之间可能存在竞争性调节，进一步揭示了细菌中存在的复杂、动态调控网络。正是因为这些层级调控网络，才使得极地微生物能够对环境变化采取精准的适应性表达，从而更好地存活并繁衍。

图3. 预测的CsrA-sRNA-Hfq交互调控模式。

（未知sRNA0652（a-d）、sRNA0654（e-h）可能同时结合Hfq和CsrA）

      本研究揭示了北极假交替单胞菌中多种Csr sRNA协同调控的复杂性，为理解极端环境微生物的适应性进化提供了新视角。研究成果不仅丰富了对Csr调控网络的认知，也为未来利用sRNA调控策略改造极端环境微生物提供了新思路。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFC2807501）和国家自然科学基金（42476264、41976224）支持。

课题组围绕该方向发表的论文：

1. Duan, Z., Liao, L., Lai, T. et al. Dynamic and intricate regulation by the Csr sRNAs in the Arctic Pseudoalteromonas fuliginea. Commun Biol 8, 369 (2025). https://doi.org/10.1038/s42003-025-07780-y.

2. Wen J, Liao L, Duan Z, Su S, Zhang J, Chen B (2023). Identification and regulatory roles of a new Csr small RNA from Arctic Pseudoalteromonas fuliginea BSW20308 in temperature responses. Microbiology Spectrum: e0409422. https://doi.org/10.1128/spectrum.04094-22

3. Liao L, Liu C, Zeng Y, Zhao B, Zhang J, Chen B (2019). Multipartite genomes and the sRNome in response to temperature stress of an Arctic Pseudoalteromonas fuliginea BSW20308. Environmental Microbiology 21: 272-285. https://doi.org/10.1111/1462-2920.14455

来源：中国极地研究中心（中国极地研究所）