微生物所發(fā)現(xiàn)植物病原細(xì)菌的“智商”能感知并統(tǒng)籌控制細(xì)胞鐵平衡
鐵是一種金屬，也是一切細(xì)胞生物生存所必需的一種物質(zhì)?！叭辫F”就必須“補(bǔ)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(xì)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(xì)胞的損傷，具有較強(qiáng)的毒害作用。因此，生物進(jìn)化出了感知鐵濃度高低的精密機(jī)制，用于調(diào)節(jié)細(xì)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(xì)菌而言，當(dāng)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(xì)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(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，以供生存所需。另一方面，當(dāng)“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(xì)菌是一類“簡單的”單細(xì)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?xì)胞內(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(xì)菌的信號感知機(jī)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(dān)著探測細(xì)胞內(nèi)、外鐵離子濃度的核心功能。VgrS-VgrR屬于細(xì)菌的雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，此類系統(tǒng)在細(xì)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(xì)胞產(chǎn)生適應(yīng)反應(yīng)。其中，VgrS是一個位于細(xì)菌細(xì)胞膜上，發(fā)揮外界信號探測功能的受體組氨酸激酶。當(dāng)細(xì)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(xì)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(dá)，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(yán)格抑制一個細(xì)菌外膜通道蛋白（TdvA）的表達(dá)，否則這個“任性”的自身通道蛋白會嚴(yán)重干擾細(xì)菌對鐵的吸收過程，關(guān)閉其表達(dá)才能使細(xì)菌正常感染植物。
然而，當(dāng)病原細(xì)菌從寄主植物或環(huán)境中“吃進(jìn)”過多的鐵，鐵離子濃度積累到可能產(chǎn)生毒害作用時，細(xì)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(dá)，同時解除對TdvA蛋白編碼基因表達(dá)的抑制，驅(qū)使細(xì)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(xì)的“供給側(cè)”統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力：首先，它能利用VgrS感知細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)菌的理想分子靶標(biāo)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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