铁调蛋白的功能及应用前景

嵇宏杰，赵梦实，朱振宇，胡婷婷，程潜，杨宇

（1.中南大学资源加工与生物工程学院，长沙410083；2. 生物冶金重点教育部重点实验室，长沙410083）

文章已被生物技术杂志社录用，生物技术杂志投稿网址链接：http://www.zazhi114.cn/shengwujishu

摘要:铁调蛋白不仅可以调节微生物细胞内与金属内稳态直接相关的基因表达，还可以调节细胞代谢以减少细胞对供应短缺的金属的需求，目前，铁调蛋白的研究已有一定的成果，部分铁调蛋白的结合位点的氨基酸残基及调节机制都被确定，本综述总结了铁调蛋白的金属转录调节因子，我介绍了关于铁调蛋白基因表达机制的现有研究现状以及铁调蛋白在不同领域的功能，此外还介绍了最新铁调蛋白调控微生物细胞金属响应结合位点方面的最新进展，以及在生物冶金与其他方面的应用前景。

关键词：铁调蛋白：功能：研究进展：应用前景

   在各种细菌和生物的成长、发育、代谢过程中金属离子发挥了非常重要的作用，特别是在细菌中表现尤为突出，但由于过低浓度的离子存在会对细胞及生物体自身生长造成一定程度的伤害，因此，对细胞及生物体本身来说，用特殊的某一种方式去感应金属离子的存在并快速融入相应环境中是很有必要的，综上可得这一过程需要金属响应蛋白家族的参与。一般影响细菌及生物体对金属离子需求的变化可大概分为3种情况，①所处环境的变化引起的②自身的生物有效性变化引起的③自身成长的代谢需求所引起的变化，例如含氧比、所持水分的百分比、自身代谢的酸碱性、降解吸附过程、寡营养素、有机质的百分比、矿物盐的百分比等都会引起相应的改变，综上可得，正如朱振宇^[1]所言金属响应转录调节因子必须起到调节金属内稳态的作用，包括调节细胞代谢与环境金属生物的有效。

通过查阅文献发现，由叶丹荣^[3]可知铁调蛋白是有25个氨基酸残基且有半胱氨酸、受铁离子正调控的金属调节蛋白，由革兰氏阴性细菌所含有的，大多数基本情况下包括309个氨基酸蛋白质，而且铁调蛋白都位于革兰氏阴性细菌的细胞质内，作为细胞内引起铁波动的关键蛋白之一，研究表明酪氨酸Tyr195和酪氨酸Tyr196这两个作为铁调蛋白亚铁的重要结合位点，除此之外它还可以通过组氨酸（His9）与高价态的氧化性铁离子结合，有时甚至需要酸根作为协同离子，若以一个H₂O作为配体可将强氧化性的铁转运到细胞质中。

    铁调节蛋白（Fur）感知细胞内铁的可用性，并维持细菌中的铁稳态方面起关键作用。尽管进行了超过20年的研究，铁吸收调节蛋白（Fur）家族蛋白质的全部监管潜力仍然不明确。

铁对许多基本的生物过程至关重要，包括DNA合成，呼吸和三羧酸循环。不幸的是，虽然铁对于生命是必不可少的，但在生理条件下也是有毒的。通过Fenton或Haber-Weiss的化学方法，其易于氧化还原的能力可以催化有毒自由基的产生。大多数革兰氏阴性细菌通过转录调节因子Fur（铁调节蛋白）维持对细胞质铁水平的非常精确的控制。在经典Fur的调节模式中，Fur结合亚铁离子，而二聚体Fe²⁺-Fur、复合物（holo-Fur）识别铁调节基因上游的靶序列并抑制其转录。除了调节参与铁稳态的基因外，Fur已经显示在调节细菌毒力，耐酸，亚硝化和氧化阻力以及氧化还原中起重要作用。

1. 铁调蛋白在生物冶金中的作用

矿产资源是人类社会和国民经济建设的重要物质基础，它对国民经济发展具有全方位的重要作用（其产业关联度高达91％），特别是对国防建设和高技术发展具有支撑和先导作用。我国有色金属矿山类型众多，地域分布广，矿产资源开发及矿山污染治理是制约矿产资源利用的关键所在。

现代微生物冶金技术相对于其他技术成本相对低廉，反应条件适宜，方便开展，因此在众多的技术中具有得天独厚的优势，特别适合我国铜矿资源的特征和分布特点，越来越成为国内外有色金属矿产开发的新兴力量，然而，现代微生物冶金技术的发展遇到瓶颈，对微生物代谢途径及微生物矿物相互作用机理研究的缺失，严重地制约着生物冶金技术的发展。

氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans, A. Ferrooxidans)是生物冶金中混合菌群主要的菌种之一。A. ferrooxidans在生物浸出过程中主要涉及能量代谢途径主要分为：硫氧化途径与亚铁氧化代谢途径。对两种代谢途径的深入研究将指导微生物冶金技术的进一步发展，也将为重金属污染的生物治理技术提供参考。

目前A. ferrooxidans的铁氧化系统研究得较为详细，Fur蛋白作为铁代谢调节的关键蛋白，在大肠杆菌中的研究已有许多报道，但是在A. ferrooxidans中相关研究很少，Fur蛋白对于铁代谢调节的作用对于A. ferrooxidans的亚铁氧化途径有重要意义，因此有研究的必要；较之亚铁氧化途径，硫氧化系统相关操纵子及其作用机制的相关研究开展的较少，但杨宇、李江江等人的研究发现了afe2726基因所编码的蛋白是硫氧化途径关键操纵子petII操纵子的调控蛋白或其候选蛋白，因此可以对该蛋白进行进一步研究，以确定其在A. ferrooxidans基因组上是否还有其他结合位点，是否也是一个整体调控蛋白。

2. 铁调蛋白在海洋微生物中的作用

由古至今，元素铁一直被认为是海洋微生物中极其重要的微量元素，那是因为在有氧的条件下，三价铁离子氧化物的较低溶解性使得溶液中可以利用的铁较少。地层表面的水基本都处于氧化的条件下，大部分的Fe以三价铁离子的形式存在于难溶性的氧化物、氢氧化物、和碳酸盐等中。与之相对的是在无氧/厌氧的条件下，有很多还原性的铁可以在难溶性的沉淀中被还原出来，况且海洋中的蓝藻和水华会促进地下底层水的厌氧环境，因此形成水华或蓝藻会随时调控它们自身Fe²⁺的供给，正是由于这种正反馈机制使得海洋微生物在海洋中得以成长，低铁或缺铁环境下可以诱导蓝藻产生一类可选择性地螯合铁的铁载体，由以前的研究发现鱼^[4]它通过运行独特的铁调蛋白螯合机制收集Fe，这可能使蓝藻比真核藻类更具竞争优势。

况且铁离子的浓度限制导致浮游植物的光合叶绿素减少、细胞色素密度降低、生长速率变慢，产生典型的黄化现象。Martin曾提出过铁限制假说（Iron Hypothesis）浮游植物在加铁后大量繁殖，生产力等指标呈几倍趋势增长，营养盐则被大量消耗。

3. 铁调蛋白在疾病中的影响

铁元素是生命中非常重要的一个存在，但因为Fe³⁺具有强氧化性和易水解性，会引起人身体中的诸多疾病，这也就是为什么现代医学要求人血液中三价铁离子的浓度必须严格控制在10^-18molL^-1[3]，但这一条件并不能满足其他生物的生存条件，比如细菌，为了存活，它必须演变进化一个更高的摄取铁离子的进化系统，而铁调蛋白就是细菌病变中的主要调控蛋白，由叶丹荣^[3]可知，一些细菌（如革兰氏阴性菌）感染宿主细胞后，可以通过铁调蛋白将氧化态的三价铁离子由细胞质转运到细胞液中，这一个过程由ATP提供能量。

4. 铁调蛋白的研究手段

最近在多种变形杆菌中的基因组规模上研究了Fur调节子：新生弯孢杆菌（α-变形杆菌），地高斯抗菌素（δ-变形杆菌），霍乱孤菌（γ-变形杆菌）和空肠弯曲杆菌（ε-变形杆菌）。研究了大肠杆菌和其直接调节子（81个基因）是如何通过比较大肠杆菌与其他六种蛋白类细菌（包括四种肺炎克雷伯杆菌（γ-变形杆菌）和茄科（Ralstoniasolanacearum）变形菌。首先比较了大肠杆菌K-12 MG1655中Fur的同源性与其他物种的同源性。如预期的那样，Fur在γ-变性杆菌中高度保守，但在其他类型的变形细菌中相对较少保守。有趣的是，Fur调节的直向同源物与每种物种中已知的Fur调节子的比例与Fur的保护程度相关。这些结果表明，Fur可能通过调节不同的生物过程或使用小RNA或者TFs来增加额外的调控层，已经演变为在其他变态细菌中具有不同的作用：V.霍乱Fur调节核糖体形成和几种独特的RNA；C.crescentus Fur 调节核糖体生物合成和额外的TFs；G.抗氧化剂Fur大部分调节主要与TCA循环相关的中枢代谢和额外的铁响应TF（IdeR）但不含RNA。

总之，目前已经描述了各种类型的基因组规模实验数据的综合分析，以及这种系统方法如何使我们能够全面了解大肠杆菌中Fur调控网络的复杂作用。通过结合ChIP-exo，其显示出比常规ChIP芯片或ChIP-seq更高的分辨率和更低的假发现率，具有高度灵敏的基于RNA-seq的转录组分析，在全基因组结合中显示出前所未有的观点的大肠杆菌及其调节子以及其复杂的调节网络。将来，这些将细胞调控的综合操纵子结构与调节网络并入ME模型将使得有可能机械地建模和预测复杂的调节相互作用，从而使我们能够更精确地计算复杂的表型。

5. 展望

Fur蛋白调控基因表达的结构基础已经被广泛地记录。Fur蛋白始终折叠成由铰链区连接至C-末端二聚化结构域（DD）的N-末端DNA结合结构域（DBD）组成的两个结构域。与这些蛋白质的普通折叠相反，Fur家族蛋白质中金属结合位点的配位，数目和几何结构是分歧的。尽管进行了这些研究，但是控制这个蛋白质家族基因表达的调控模式的结构决定因素仍然没有得到解决。由此可见，铁调蛋白的深入研究将会引领多个领域的创新与发展。

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