肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）是定植于大多数人上呼吸道的正常菌,但在免疫力低下的个体中可导致侵袭性感染,引发肺炎、败血症和脑膜炎等严重疾病。研究发现,该菌可以在透明（transparent）和非透明（opaque）菌落之间发生可逆转的相转换。透明菌落产生较薄的荚膜,对细胞有更高的粘附性,在宿主上呼吸道呈现更强的定植力。而非透明菌落则产生厚实的荚膜,能够更有效地逃逸宿主吞噬除菌免疫,在侵袭性感染中呈现更强的毒力。这说明肺炎链球菌群体中同时存在定植型透明菌落和侵袭型非透明菌落两种状态,其转换的方向性是决定正常菌和致病菌表型的生物学基础。但是目前对菌落相转换方向性的调控机制完全未知。本研究发现,透明和非透明菌落相转换的方向性受多个双组分调节系统（twocomponent regulatory system,TCS）的调控。双组分调节系统是通过组氨酸磷酸激酶感受因子（histidine kinase,HK）感知细胞外特定环境刺激,并通过调控基因转录表达的调节因子（response regulator,RR）来调控细胞内适应性反应的关键环境应急系统。通过对肺炎链球菌基因组中14个双组分调节因子进行基因敲除与回补,我们发现5个双组分调节系统（TCS06、TCS08、TCS09、TCS11和TCS14）调控肺炎链球菌透明和非透明菌落相转换的方向性。rr06、rr08、rr09、rr11和rr14突变体中非透明菌落的比例显著降低。进一步的遗传突变实验揭示,TCS06、TCS08、TCS09和TCS11通过调节翻转酶Psr A催化的DNA甲基转移酶hsd S基因的可逆性翻转来实现对菌落相转换方向的调控。之前的研究发现,肺炎链球菌I型限制修饰系统中甲基转移酶hsd S基因在Psr A催化下发生的可逆性翻转,引起基因组甲基谱在“opaque ON”和“opaque OFF”之间的转换,从而决定菌落表型。而TCS14对菌落相转换的调控则与hsd S基因翻转无关。基因组甲基化图谱鉴定结果显示,rr06、rr08、rr09和rr11突变体中非透明菌落“opaque ON”甲基化状态显著下降,而在rr14突变体中无显著差异。最终实验发现,磷酸化修饰的RR11蛋白通过转录激活三个靶标基因的表达,维持“opaque ON”基因型和菌落表型。因此,本课题首次在国际上揭示双组分调节系统通过调控基因组甲基化状态来决定致病性表型,为理解肺炎链球菌在非致病定植型（透明菌落）与致病侵袭型（非透明菌落）之间的转换机制提供了突破性信息。由于双组分调节系统和I型限制修饰系统在原核生物中广泛存在,本研究将为理解其他致病菌适应环境的机理提供重要的线索。