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谷立川教授团队发表改写细菌铁代谢调控经典模型研究进展

发布日期:2020年09月17日 15:25 点击次数:

[本站讯]近日,山东大学微生物技术国家重点实验室谷立川教授团队在Nucleic Acids Research杂志在线发表了题为“YdiV regulates Escherichia coli ferric uptake by manipulating the DNA-binding ability of Fur in a SlyD-dependent manner”的研究论文。山东大学微生物技术国家重点实验室为该论文的第一完成单位,博士生张冯瑜为第一作者,谷立川教授为该论文的通讯作者。

铁是维持生命最重要的金属元素之一,是胞内氧化还原、电子传递及功能酶类的重要组成部分。但是铁过量又不利于细胞生存。因此,病原微生物要想成功的感染人体必须突破人体营养免疫屏障获得适量的铁。为了实现这一目的并维持细胞内铁的稳态,微生物可以根据环境中铁含量的高低时序调控近100个铁代谢相关基因的表达。对于绝大多数微生物来说,这种全局性铁离子调控系统的核心是铁转录因子Fur(ferric-uptake regulator protein)。

经典的Fur调控模型是:在铁丰富条件下,Fur与Fe2+结合形成二聚体并结合在靶基因启动子区的Fur Box DNA上,从而阻止RNA聚合酶与启动子结合,起到抑制铁吸收系统基因表达的作用;当细胞内缺铁时,Fur 失去铁离子并且失去 DNA 结合能力,因而解除其对靶基因的抑制作用,相关基因上调表达。

图1. (A)Fur转录因子的负调控模型。(B)磁螺菌中Fur与DNA结合的晶体结构

尽管这一模型已经被广泛接受,其与某些实验数据却存在着不可调和的矛盾。例如某些来源的Fur无论有没有铁离子存在均表现出与DNA的高度亲和力。Lee等在一篇2007年发表的经典综述中写道:It is embarassing to admit that 20 years after first being purified, the site of iron-sensing and the consequences of iron binding, should be so poorly understood even for the founding member of this large protein family: FurEC(大肠杆菌 Fur)。

在前期的研究中,作者意外发现:YdiV及其同源蛋白STM1697除了调控鞭毛的表达外,在缺铁和细菌入侵宿主时表达量显著上调。这表明YdiV可能参与鞭毛合成以及铁代谢系统的协同调控。由于质谱检验YdiV纯度时发现微量Fur的稳定存在,作者猜想这两个蛋白质或许存在直接的相互作用,于是在大肠杆菌中共表达这两个蛋白质观察其是否形成复合物。结果非常意外,虽然YdiV和Fur不能形成复合物,但纯化出的Fur却完全丧失了DNA结合能力,即使外加铁离子也没有影响。经实验验证,细胞内过表达YdiV可以改变Fur的构象。

由于YdiV不可能具有改变Fur结构的功能,作者猜测某种异构酶或许参与了这一过程。为了捕获这一未知蛋白质,作者再次使用质谱技术鉴定纯化后Fur中含有的杂质蛋白。这一次作者注意到了分子伴侣-脯氨酰顺/反异构酶SlyD。尽管这是一个臭名昭著的镍柱污染蛋白质,但作者还是决定检验一下它的功能。结果,当敲除大肠杆菌slyD基因之后,YdiV丧失了转化Fur的能力。这表明YdiV调控Fur依赖于SlyD的介导。有趣的是,SlyD同样不能和Fur形成稳定复合物。这说明整个调控发生在蛋白质折叠过程中,YdiV和SlyD可以改变Fur的折叠通路导致蛋白质三维结构的改变从而影响其转录功能。

这一最新发现大幅度改写了经典的细菌铁代谢调控模型:在缺铁条件下,大肠杆菌上调ydiV基因表达,高浓度的YdiV促进脯氨酰顺/反异构酶SlyD催化Fur蛋白DNA结合结构域中第18位的脯氨酸异构化。这一相互作用改变了Fur的构象,使Fur的DNA结合活性丧失,进而激活大肠杆菌铁吸收系统基因表达。这一新型的调控机制不依赖于Fur与Fe2+的结合,可以在细胞内真正缺铁之前有效增加铁的吸收。而原有调控模型依赖于细胞内铁离子浓度的急剧下降,这显然不利于细胞内铁稳态的维持。

图2. YdiV-Fur-SlyD介导的新型铁代谢调控机制

值得注意的是,YdiV-Fur-SlyD互作机制可以协调细菌铁稳态和鞭毛合成,有利于病原菌克服宿主的营养免疫并逃避免疫识别。这对于细菌致病性至关重要。本研究也发现YdiV和SlyD对于尿路致病性大肠杆菌UPEC入侵膀胱上皮细胞是必须的。

通常,分子伴侣蛋白促进底物蛋白质折叠但不改变底物蛋白的最终结构。本研究首次发现,脯氨酰顺/反异构酶SlyD不仅可以促进蛋白质折叠,还可以在YdiV的帮助下改变底物蛋白Fur的最终构象。这一新的发现加深了人们对分子伴侣蛋白的认识。

该研究课题得到了国家973计划、国家自然科学基金的资助。谷立川教授团队长期从事鞭毛调控蛋白YdiV及其同源蛋白的结构与功能研究。相关研究成果均发表在Nucleic Acids Research杂志上(NAR 2012, 40, 11073-11085; NAR 2017, 45, 9976-9989)。本次研究成果是该团队在微生物鞭毛调控和离子代谢领域取得的又一重要研究进展。

原文链接:

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkaa696/5894414


【供稿单位:微生物研究院    作者:谷立川 张冯瑜    摄影:张冯瑜         编辑:新闻网工作室    责任编辑:杨璇 张丹丹  】

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