發(fā)布時(shí)間：2021-11-03 18:25

　　鐵元素通常以蛋白輔因子的形式參與一系列重要的生命過程,是絕大多數(shù)生命必需的營養(yǎng)物質(zhì)。在細(xì)菌生命過程中,一方面鐵短缺是必須克服的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),另一方面鐵過量又會(huì)危及生命。鐵的這種二元性質(zhì)要求細(xì)菌必須嚴(yán)格保持體內(nèi)的鐵穩(wěn)態(tài)。當(dāng)前革蘭氏陰性菌鐵穩(wěn)態(tài)的作用模式及理解主要基于腸道細(xì)菌大腸桿菌的長期探索成果。近年來,在環(huán)境細(xì)菌中開展的相關(guān)研究揭示了革蘭氏陰性菌的鐵穩(wěn)態(tài)機(jī)制存在出乎意料的多樣性:細(xì)菌中鐵穩(wěn)態(tài)相關(guān)的生物途徑及組成蛋白、關(guān)鍵調(diào)控系統(tǒng)的生理影響以及鐵穩(wěn)態(tài)與其他生物過程的相互影響等方面都顯示不同菌種的生存和進(jìn)化特征。本綜述以希瓦氏菌中的相關(guān)發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ),分析總結(jié)革蘭氏陰性菌鐵穩(wěn)態(tài)重要途徑及其組成的多樣性、不同途徑的相互影響以及調(diào)控因子的生理影響和調(diào)控機(jī)理等方面的研究進(jìn)展和未解決的問題,以期為革蘭氏陰性菌鐵穩(wěn)態(tài)的研究提供參考。 

【文章來源】：微生物學(xué)通報(bào). 2020,47(10)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

鐵載體及其合成基因簇

盡管自發(fā)現(xiàn)以來，F(xiàn)ur一直是最關(guān)鍵的鐵穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，但近年來的研究已使研究者們越來越清楚地認(rèn)識到Fur蛋白實(shí)際上是一個(gè)全局轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，參與不同生物過程中大量基因的調(diào)控，例如氧化還原調(diào)節(jié)、能量代謝、抗氧化和亞硝化應(yīng)激反應(yīng)、核酸生物合成、細(xì)胞形態(tài)和運(yùn)動(dòng)等[80,85-86]。但是，無論Fur參與調(diào)控的生物途徑如何多樣，其主業(yè)還是調(diào)控鐵穩(wěn)態(tài)，發(fā)揮阻遏蛋白的功能抑制細(xì)菌鐵攝入途徑相關(guān)基因的表達(dá)[78,80]，其核心包括鐵攝取相關(guān)基因和儲(chǔ)鐵蛋白Bfr、Ftn A、Ftn B和Dps等[87]。儲(chǔ)鐵蛋白具有極高的儲(chǔ)鐵能力，鐵/蛋白結(jié)合分子比率通常超過100 (近3 000鐵原子/24聚體)，是決定細(xì)菌細(xì)胞總鐵水平的關(guān)鍵因素[11]。Fur功能的喪失必然導(dǎo)致鐵攝取相關(guān)蛋白表達(dá)的增加，使細(xì)胞鐵攝取的能力和速度增加，最終導(dǎo)致鐵過量。在很多細(xì)菌中的確如此[88-91]，但更常見的一種情況是細(xì)菌(例如大腸桿菌)胞內(nèi)總鐵水平下降但游離鐵水平升高[33,67,83,92]。根據(jù)在大腸桿菌中開展的研究，目前的理解為Fur缺失顯著下調(diào)了儲(chǔ)鐵蛋白的胞內(nèi)含量，導(dǎo)致總鐵和游離鐵水平變化相反的現(xiàn)象[92-93]。與大腸桿菌相同，在希瓦氏菌中Fur幾乎參與調(diào)控所有影響鐵穩(wěn)態(tài)的途徑。通過掃描兩種希瓦氏菌S.oneidensis和S.piezotolerans基因組中MotifFur-P序列，發(fā)現(xiàn)其Fur調(diào)節(jié)子都包含一些編碼有關(guān)鐵代謝和呼吸作用蛋白質(zhì)的操縱子[81-82]。其中，可靠性較高的前20個(gè)操縱子中的大多數(shù)都編碼鐵轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝有關(guān)的蛋白質(zhì)[34]，包括響應(yīng)鐵的小RNA (s RNA)調(diào)節(jié)基因ryh B[94]。另外，與大腸桿菌fur突變株一樣，希瓦氏菌的對應(yīng)菌株胞內(nèi)總鐵水平降低而游離鐵含量升高。與總鐵水平的變化一致，fur缺失株中細(xì)胞色素c的豐度也顯著下降。與大腸桿菌不同，其主要儲(chǔ)鐵蛋白為Ftn，希瓦氏菌的關(guān)鍵儲(chǔ)鐵蛋白是Bfr[94]。但是，過表達(dá)Bfr能夠顯著提高野生型的胞內(nèi)總鐵水平，卻對Fur缺失株細(xì)胞的總鐵水平作用不大，也無法恢復(fù)其細(xì)胞色素c的合成能力。研究同時(shí)探討了儲(chǔ)鐵蛋白Dps的作用，其編碼基因在希瓦氏菌面對氧化脅迫時(shí)受誘導(dǎo)高水平表達(dá)，通過結(jié)合胞內(nèi)的自由鐵抑制芬頓反應(yīng)發(fā)生，保護(hù)細(xì)胞免受損傷[95-96]。然而，Dps不受Fur直接調(diào)控，其過表達(dá)也對細(xì)胞總鐵水平的影響有限[94]。這些對比研究說明儲(chǔ)鐵蛋白不可能是Fur缺失影響細(xì)胞色素c合成現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。更重要的是，提高培養(yǎng)基中外源Fe3+或Fe2+的濃度能夠小幅度提高Fur缺失株細(xì)胞的總鐵水平，但所有fur缺失引起的變化卻都無法得到恢復(fù)，意味著細(xì)胞感應(yīng)或攝入外源鐵的能力嚴(yán)重受損，但具體分子機(jī)制的闡明仍有待未來深入研究。

Put A缺失盡管對細(xì)胞生長影響很小，卻引發(fā)一個(gè)特別的現(xiàn)象：缺失突變株中細(xì)胞色素c的合成嚴(yán)重受損[33]。奧奈達(dá)希瓦氏菌基因組至少編碼40種不同的細(xì)胞色素c，這些與血紅素(最高達(dá)16個(gè))共價(jià)結(jié)合的蛋白主要參與電子傳遞和氧化還原反應(yīng)，不但是該菌呼吸多樣性的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且賦予其菌落呈現(xiàn)獨(dú)特的橘紅色[24]。細(xì)胞色素c的血紅素輔基含有鐵元素，可以想象胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)是細(xì)胞色素c正常合成的前提條件[33]。在正常生長條件下，F(xiàn)e2+轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)Feo在鐵攝取方面扮演更重要的角色，尤其對希瓦氏菌而言，因?yàn)樵摼侵蔫F還原細(xì)菌，可以將胞外Fe3+還原為Fe2+[33]。正因如此，Put A缺失引起的表型相當(dāng)意外，但深入研究發(fā)現(xiàn)這與希瓦氏菌自身合成的鐵載體相關(guān)[33]。Put A缺失導(dǎo)致細(xì)菌自身合成分泌的鐵載體(putrebactin)與胞外Fe3+形成的鐵-鐵載體復(fù)合體無法進(jìn)入細(xì)胞，使細(xì)胞產(chǎn)生胞內(nèi)缺鐵的錯(cuò)覺，從而合成和分泌更多的鐵載體。過量的鐵載體螯合環(huán)境中的Fe3+，其結(jié)果是極大地降低了胞外可被攝取鐵(Fe3+和Fe2+)的水平，嚴(yán)重制約了Feo轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的效率，造成細(xì)胞嚴(yán)重缺鐵，影響了細(xì)胞色素c的正常合成[35]。顯然，這個(gè)現(xiàn)象依賴于鐵載體。的確，當(dāng)鐵載體合成能力喪失時(shí)，Put A缺失不再影響胞內(nèi)細(xì)胞色素c的水平[35]。3 Feo依賴的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制


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