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)。在細菌生命過程中,一方面鐵短缺是必須克服的嚴峻挑戰(zhàn),另一方面鐵過量又會危及生命。鐵的這種二元性質(zhì)要求細菌必須嚴格保持體內(nèi)的鐵穩(wěn)態(tài)。當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菌大腸桿菌的長期探索成果。近年來,在環(huán)境細菌中開展的相關研究揭示了革蘭氏陰性菌的鐵穩(wěn)態(tài)機制存在出乎意料的多樣性:細菌中鐵穩(wěn)態(tài)相關的生物途徑及組成蛋白、關鍵調(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化特征。本綜述以希瓦氏菌中的相關發(fā)現(xiàn)為基礎,分析總結革蘭氏陰性菌鐵穩(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)控機理等方面的研究進展和未解決的問題,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】：微生物學通報. 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一直是最關鍵的鐵穩(wěn)態(tài)轉錄調(diào)控因子，但近年來的研究已使研究者們越來越清楚地認識到Fur蛋白實際上是一個全局轉錄調(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、抗氧化和亞硝化應激反應、核酸生物合成、細胞形態(tài)和運動等[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菌鐵攝入途徑相關基因的表達[78,80]，其核心包括鐵攝取相關基因和儲鐵蛋白Bfr、Ftn A、Ftn B和Dps等[87]。儲鐵蛋白具有極高的儲鐵能力，鐵/蛋白結合分子比率通常超過100 (近3 000鐵原子/24聚體)，是決定細菌細胞總鐵水平的關鍵因素[11]。Fur功能的喪失必然導致鐵攝取相關蛋白表達的增加，使細胞鐵攝取的能力和速度增加，最終導致鐵過量。在很多細菌中的確如此[88-91]，但更常見的一種情況是細菌(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)了儲鐵蛋白的胞內(nèi)含量，導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個操縱子中的大多數(shù)都編碼鐵轉運和代謝有關的蛋白質(zhì)[34]，包括響應鐵的小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缺失株中細胞色素c的豐度也顯著下降。與大腸桿菌不同，其主要儲鐵蛋白為Ftn，希瓦氏菌的關鍵儲鐵蛋白是Bfr[94]。但是，過表達Bfr能夠顯著提高野生型的胞內(nèi)總鐵水平，卻對Fur缺失株細胞的總鐵水平作用不大，也無法恢復其細胞色素c的合成能力。研究同時探討了儲鐵蛋白Dps的作用，其編碼基因在希瓦氏菌面對氧化脅迫時受誘導高水平表達，通過結合胞內(nèi)的自由鐵抑制芬頓反應發(fā)生，保護細胞免受損傷[95-96]。然而，Dps不受Fur直接調(diào)控，其過表達也對細胞總鐵水平的影響有限[94]。這些對比研究說明儲鐵蛋白不可能是Fur缺失影響細胞色素c合成現(xiàn)象的關鍵因素。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，意味著細胞感應或攝入外源鐵的能力嚴重受損，但具體分子機制的闡明仍有待未來深入研究。

Put A缺失盡管對細胞生長影響很小，卻引發(fā)一個特別的現(xiàn)象：缺失突變株中細胞色素c的合成嚴重受損[33]。奧奈達希瓦氏菌基因組至少編碼40種不同的細胞色素c，這些與血紅素(最高達16個)共價結合的蛋白主要參與電子傳遞和氧化還原反應，不但是該菌呼吸多樣性的物質(zhì)基礎，而且賦予其菌落呈現(xiàn)獨特的橘紅色[24]。細胞色素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+轉運系統(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，因為該菌是著名的鐵還原細菌，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[33]。Put A缺失導致細菌自身合成分泌的鐵載體(putrebactin)與胞外Fe3+形成的鐵-鐵載體復合體無法進入細胞，使細胞產(chǎn)生胞內(nèi)缺鐵的錯覺，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+，其結果是極大地降低了胞外可被攝取鐵(Fe3+和Fe2+)的水平，嚴重制約了Feo轉運系統(tǒng)的效率，造成細胞嚴重缺鐵，影響了細胞色素c的正常合成[35]。顯然，這個現(xiàn)象依賴于鐵載體。的確，當鐵載體合成能力喪失時，Put A缺失不再影響胞內(nèi)細胞色素c的水平[35]。3 Feo依賴的鐵轉運機制


本文編號：3474129