希瓦氏菌铁稳态及调控的研究进展
发布时间：2021-11-03 18:25
铁元素通常以蛋白辅因子的形式参与一系列重要的生命过程,是绝大多数生命必需的营养物质。在细菌生命过程中,一方面铁短缺是必须克服的严峻挑战,另一方面铁过量又会危及生命。铁的这种二元性质要求细菌必须严格保持体内的铁稳态。当前革兰氏阴性菌铁稳态的作用模式及理解主要基于肠道细菌大肠杆菌的长期探索成果。近年来,在环境细菌中开展的相关研究揭示了革兰氏阴性菌的铁稳态机制存在出乎意料的多样性:细菌中铁稳态相关的生物途径及组成蛋白、关键调控系统的生理影响以及铁稳态与其他生物过程的相互影响等方面都显示不同菌种的生存和进化特征。本综述以希瓦氏菌中的相关发现为基础,分析总结革兰氏阴性菌铁稳态重要途径及其组成的多样性、不同途径的相互影响以及调控因子的生理影响和调控机理等方面的研究进展和未解决的问题,以期为革兰氏阴性菌铁稳态的研究提供参考。
【文章来源】：微生物学通报. 2020,47(10)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
铁载体及其合成基因簇
尽管自发现以来，Fur一直是最关键的铁稳态转录调控因子，但近年来的研究已使研究者们越来越清楚地认识到Fur蛋白实际上是一个全局转录调节因子，参与不同生物过程中大量基因的调控，例如氧化还原调节、能量代谢、抗氧化和亚硝化应激反应、核酸生物合成、细胞形态和运动等[80,85-86]。但是，无论Fur参与调控的生物途径如何多样，其主业还是调控铁稳态，发挥阻遏蛋白的功能抑制细菌铁摄入途径相关基因的表达[78,80]，其核心包括铁摄取相关基因和储铁蛋白Bfr、Ftn A、Ftn B和Dps等[87]。储铁蛋白具有极高的储铁能力，铁/蛋白结合分子比率通常超过100 (近3 000铁原子/24聚体)，是决定细菌细胞总铁水平的关键因素[11]。Fur功能的丧失必然导致铁摄取相关蛋白表达的增加，使细胞铁摄取的能力和速度增加，最终导致铁过量。在很多细菌中的确如此[88-91]，但更常见的一种情况是细菌(例如大肠杆菌)胞内总铁水平下降但游离铁水平升高[33,67,83,92]。根据在大肠杆菌中开展的研究，目前的理解为Fur缺失显著下调了储铁蛋白的胞内含量，导致总铁和游离铁水平变化相反的现象[92-93]。与大肠杆菌相同，在希瓦氏菌中Fur几乎参与调控所有影响铁稳态的途径。通过扫描两种希瓦氏菌S.oneidensis和S.piezotolerans基因组中MotifFur-P序列，发现其Fur调节子都包含一些编码有关铁代谢和呼吸作用蛋白质的操纵子[81-82]。其中，可靠性较高的前20个操纵子中的大多数都编码铁转运和代谢有关的蛋白质[34]，包括响应铁的小RNA (s RNA)调节基因ryh B[94]。另外，与大肠杆菌fur突变株一样，希瓦氏菌的对应菌株胞内总铁水平降低而游离铁含量升高。与总铁水平的变化一致，fur缺失株中细胞色素c的丰度也显著下降。与大肠杆菌不同，其主要储铁蛋白为Ftn，希瓦氏菌的关键储铁蛋白是Bfr[94]。但是，过表达Bfr能够显著提高野生型的胞内总铁水平，却对Fur缺失株细胞的总铁水平作用不大，也无法恢复其细胞色素c的合成能力。研究同时探讨了储铁蛋白Dps的作用，其编码基因在希瓦氏菌面对氧化胁迫时受诱导高水平表达，通过结合胞内的自由铁抑制芬顿反应发生，保护细胞免受损伤[95-96]。然而，Dps不受Fur直接调控，其过表达也对细胞总铁水平的影响有限[94]。这些对比研究说明储铁蛋白不可能是Fur缺失影响细胞色素c合成现象的关键因素。更重要的是，提高培养基中外源Fe3+或Fe2+的浓度能够小幅度提高Fur缺失株细胞的总铁水平，但所有fur缺失引起的变化却都无法得到恢复，意味着细胞感应或摄入外源铁的能力严重受损，但具体分子机制的阐明仍有待未来深入研究。
Put A缺失尽管对细胞生长影响很小，却引发一个特别的现象：缺失突变株中细胞色素c的合成严重受损[33]。奥奈达希瓦氏菌基因组至少编码40种不同的细胞色素c，这些与血红素(最高达16个)共价结合的蛋白主要参与电子传递和氧化还原反应，不但是该菌呼吸多样性的物质基础，而且赋予其菌落呈现独特的橘红色[24]。细胞色素c的血红素辅基含有铁元素，可以想象胞内铁稳态是细胞色素c正常合成的前提条件[33]。在正常生长条件下，Fe2+转运系统Feo在铁摄取方面扮演更重要的角色，尤其对希瓦氏菌而言，因为该菌是著名的铁还原细菌，可以将胞外Fe3+还原为Fe2+[33]。正因如此，Put A缺失引起的表型相当意外，但深入研究发现这与希瓦氏菌自身合成的铁载体相关[33]。Put A缺失导致细菌自身合成分泌的铁载体(putrebactin)与胞外Fe3+形成的铁-铁载体复合体无法进入细胞，使细胞产生胞内缺铁的错觉，从而合成和分泌更多的铁载体。过量的铁载体螯合环境中的Fe3+，其结果是极大地降低了胞外可被摄取铁(Fe3+和Fe2+)的水平，严重制约了Feo转运系统的效率，造成细胞严重缺铁，影响了细胞色素c的正常合成[35]。显然，这个现象依赖于铁载体。的确，当铁载体合成能力丧失时，Put A缺失不再影响胞内细胞色素c的水平[35]。3 Feo依赖的铁转运机制
本文编号：3474129
【文章来源】：微生物学通报. 2020,47(10)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
铁载体及其合成基因簇
尽管自发现以来，Fur一直是最关键的铁稳态转录调控因子，但近年来的研究已使研究者们越来越清楚地认识到Fur蛋白实际上是一个全局转录调节因子，参与不同生物过程中大量基因的调控，例如氧化还原调节、能量代谢、抗氧化和亚硝化应激反应、核酸生物合成、细胞形态和运动等[80,85-86]。但是，无论Fur参与调控的生物途径如何多样，其主业还是调控铁稳态，发挥阻遏蛋白的功能抑制细菌铁摄入途径相关基因的表达[78,80]，其核心包括铁摄取相关基因和储铁蛋白Bfr、Ftn A、Ftn B和Dps等[87]。储铁蛋白具有极高的储铁能力，铁/蛋白结合分子比率通常超过100 (近3 000铁原子/24聚体)，是决定细菌细胞总铁水平的关键因素[11]。Fur功能的丧失必然导致铁摄取相关蛋白表达的增加，使细胞铁摄取的能力和速度增加，最终导致铁过量。在很多细菌中的确如此[88-91]，但更常见的一种情况是细菌(例如大肠杆菌)胞内总铁水平下降但游离铁水平升高[33,67,83,92]。根据在大肠杆菌中开展的研究，目前的理解为Fur缺失显著下调了储铁蛋白的胞内含量，导致总铁和游离铁水平变化相反的现象[92-93]。与大肠杆菌相同，在希瓦氏菌中Fur几乎参与调控所有影响铁稳态的途径。通过扫描两种希瓦氏菌S.oneidensis和S.piezotolerans基因组中MotifFur-P序列，发现其Fur调节子都包含一些编码有关铁代谢和呼吸作用蛋白质的操纵子[81-82]。其中，可靠性较高的前20个操纵子中的大多数都编码铁转运和代谢有关的蛋白质[34]，包括响应铁的小RNA (s RNA)调节基因ryh B[94]。另外，与大肠杆菌fur突变株一样，希瓦氏菌的对应菌株胞内总铁水平降低而游离铁含量升高。与总铁水平的变化一致，fur缺失株中细胞色素c的丰度也显著下降。与大肠杆菌不同，其主要储铁蛋白为Ftn，希瓦氏菌的关键储铁蛋白是Bfr[94]。但是，过表达Bfr能够显著提高野生型的胞内总铁水平，却对Fur缺失株细胞的总铁水平作用不大，也无法恢复其细胞色素c的合成能力。研究同时探讨了储铁蛋白Dps的作用，其编码基因在希瓦氏菌面对氧化胁迫时受诱导高水平表达，通过结合胞内的自由铁抑制芬顿反应发生，保护细胞免受损伤[95-96]。然而，Dps不受Fur直接调控，其过表达也对细胞总铁水平的影响有限[94]。这些对比研究说明储铁蛋白不可能是Fur缺失影响细胞色素c合成现象的关键因素。更重要的是，提高培养基中外源Fe3+或Fe2+的浓度能够小幅度提高Fur缺失株细胞的总铁水平，但所有fur缺失引起的变化却都无法得到恢复，意味着细胞感应或摄入外源铁的能力严重受损，但具体分子机制的阐明仍有待未来深入研究。
Put A缺失尽管对细胞生长影响很小，却引发一个特别的现象：缺失突变株中细胞色素c的合成严重受损[33]。奥奈达希瓦氏菌基因组至少编码40种不同的细胞色素c，这些与血红素(最高达16个)共价结合的蛋白主要参与电子传递和氧化还原反应，不但是该菌呼吸多样性的物质基础，而且赋予其菌落呈现独特的橘红色[24]。细胞色素c的血红素辅基含有铁元素，可以想象胞内铁稳态是细胞色素c正常合成的前提条件[33]。在正常生长条件下，Fe2+转运系统Feo在铁摄取方面扮演更重要的角色，尤其对希瓦氏菌而言，因为该菌是著名的铁还原细菌，可以将胞外Fe3+还原为Fe2+[33]。正因如此，Put A缺失引起的表型相当意外，但深入研究发现这与希瓦氏菌自身合成的铁载体相关[33]。Put A缺失导致细菌自身合成分泌的铁载体(putrebactin)与胞外Fe3+形成的铁-铁载体复合体无法进入细胞，使细胞产生胞内缺铁的错觉，从而合成和分泌更多的铁载体。过量的铁载体螯合环境中的Fe3+，其结果是极大地降低了胞外可被摄取铁(Fe3+和Fe2+)的水平，严重制约了Feo转运系统的效率，造成细胞严重缺铁，影响了细胞色素c的正常合成[35]。显然，这个现象依赖于铁载体。的确，当铁载体合成能力丧失时，Put A缺失不再影响胞内细胞色素c的水平[35]。3 Feo依赖的铁转运机制
本文编号：3474129
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