微生物所發(fā)現(xiàn)植物病原細菌的“智商”能感知并統(tǒng)籌控制細胞鐵平衡
鐵是一種金屬，也是一切細胞生物生存所必需的一種物質(zhì)?！叭辫F”就必須“補鐵”，這是大家早已通過廣告熟悉的道理。然而凡事過猶不及，鐵對于生物而言也是一把“雙刃劍”：缺鐵固然不妙，但如果細胞內(nèi)鐵離子濃度過高，反而會激發(fā)活性氧和超氧化物對細胞的損傷，具有較強的毒害作用。因此，生物進化出了感知鐵濃度高低的精密機制，用于調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的鐵平衡。這也是目前生物化學(xué)研究的前沿科學(xué)問題之一。
雖說鐵是地殼中總含量排名第四的豐富元素，但對于病原細菌而言，當其侵入到動、植物寄主體內(nèi)時，卻經(jīng)常會面臨事關(guān)生死的缺鐵環(huán)境：原來寄主為了控制感染蔓延，會通過產(chǎn)生小分子化合物、載鐵蛋白等多種方式，螯合體內(nèi)的鐵并將其“藏”起來，造成鐵極度匱乏的環(huán)境，從而抑制病原微生物生長和繁殖。比如說，患有慢性感染的病人往往并發(fā)缺鐵性貧血，就是由于鐵被超量螯合后，不但病原微生物會缺鐵而生長緩慢，同時人體自身也無法獲得足夠多的鐵，使得血紅素含量下降所致。因此，病原細菌為了攫取足量的鐵，一方面必須將寄主體內(nèi)的鐵“爭搶”到手并運輸進入細菌細胞內(nèi)，以供生存所需。另一方面，當“搶”到的鐵積累得足夠多時，又必須盡快停止上述過程，避免 “鐵吃撐了”而對自身產(chǎn)生毒害作用。那么，一個有趣的科學(xué)問題是：細菌是一類“簡單的”單細胞生物，既無神經(jīng)系統(tǒng)又不掌握現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)，它們?nèi)绾胃兄毎麅?nèi)外鐵濃度的高低，正確應(yīng)對，從而在與寄主免疫系統(tǒng)殘酷的生存斗爭中取得壓倒性優(yōu)勢？
中科院微生物所錢韋研究組致力于研究植物病原細菌的信號感知機制。最近他們發(fā)現(xiàn)，在十字花科蔬菜黑腐病的病原－野油菜黃單胞菌中，一個稱為VgrS-VgrR的分子系統(tǒng)承擔著探測細胞內(nèi)、外鐵離子濃度的核心功能。VgrS-VgrR屬于細菌的雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，此類系統(tǒng)在細菌中扮演著類似人類“智商（IQ）”的生物學(xué)功能，能夠感知外界環(huán)境刺激并控制細胞產(chǎn)生適應(yīng)反應(yīng)。其中，VgrS是一個位于細菌細胞膜上，發(fā)揮外界信號探測功能的受體組氨酸激酶。當細菌生存于鐵離子匱乏的環(huán)境中時，會激活VgrS的激酶活性，并將細胞內(nèi)的VgrR蛋白磷酸化。被磷酸化后的VgrR蛋白能夠控制數(shù)十個轉(zhuǎn)運鐵元素相關(guān)基因的表達，從寄主體中“爭搶”寶貴的鐵資源。有趣的是，在這個過程里，VgrR必須嚴格抑制一個細菌外膜通道蛋白（TdvA）的表達，否則這個“任性”的自身通道蛋白會嚴重干擾細菌對鐵的吸收過程，關(guān)閉其表達才能使細菌正常感染植物。
然而，當病原細菌從寄主植物或環(huán)境中“吃進”過多的鐵，鐵離子濃度積累到可能產(chǎn)生毒害作用時，細胞內(nèi)過多的二價鐵離子又會特異地結(jié)合到VgrR蛋白上，阻止其繼續(xù)調(diào)控鐵吸收相關(guān)基因的表達，同時解除對TdvA蛋白編碼基因表達的抑制，驅(qū)使細菌停止吸收鐵離子。因此，這項研究發(fā)現(xiàn)：野油菜黃單胞菌在適應(yīng)鐵匱乏環(huán)境時具有精細的“供給側(cè)”統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力：首先，它能利用VgrS感知細胞外鐵匱乏環(huán)境，啟動對鐵離子的吸收，其次，在鐵含量過高時它又能利用VgrR感知細胞內(nèi)高濃度的鐵，停止泵入更多的鐵。在VgrS-VgrR雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的管控下，野油菜黃單胞菌得以審慎地利用寄主植物體內(nèi)的鐵元素，成功完成感染。
由于VgrS-VgrR是黃單胞菌感染植物寄主過程中的保守信號系統(tǒng)之一，如果能夠人工干擾它們的作用就能夠抑制細菌的正常感染過程，因此，VgrS-VgrR系統(tǒng)也將成為未來發(fā)展新型抗菌新策略，防控植物病原細菌的理想分子靶標之一。
這項題為“Two-Component Signaling System VgrRS Directly Senses Extracytoplasmic and Intracellular Iron to Control Bacterial Adaptation under Iron Depleted Stress”的研究已發(fā)表在PLoS Pathogens上。微生物所助理研究員王莉博士是該論文的第一作者。研究獲得了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技（B類）專項（作物病蟲害的導(dǎo)向性防控）和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
成果鏈接：http://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1006133
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