【文獻解讀】源井CRISPR-B技術助力解密沙門氏菌與Fe的愛恨情仇 _健康小知識

文章圖片
沙門氏菌病是指由各種類型沙門氏菌所引起的對人類、家畜以及野生禽獸不同形式的總稱。感染的人或其他動物糞便中的沙門氏菌會污染食品，可使人發生食物中毒。據統計在世界各國的細菌性食物中毒中，沙門氏菌引起的食物中毒常列榜首，我國內陸地區也以沙門氏菌為首位。因此對沙門氏菌在宿主內生存適應機制進行研究，對沙門氏菌感染后治療十分重要。
和其他腸桿菌科細菌相同，沙門氏菌也需要輔因子Fe來參與其固氮、DNA合成和損傷修復等多個重要生命過程。然而在自然界中的Fe ，很難被沙門氏菌直接利用，所以沙門氏菌從宿主細胞中獲得足夠的Fe對其定植及生存至關重要。但宿主可通過營養免疫來限制其對Fe的吸收，因此沙門氏菌進化出一種具有高鐵親和力的兒茶酚鐵載體——腸菌素（Ent）來對抗宿主的營養免疫。可矛盾的是，高濃度Fe會產生Fenton反應，從而產生大量羥自由基，導致沙門氏菌的死亡。最終在與宿主的相愛相殺過程中，沙門氏菌進化出鐵穩態機制，可使其在獲取所需鐵的同時，又避免過量鐵引起的毒害反應。
針對這一鐵穩態機制，山東第一醫科大學基礎醫學院（基礎醫學研究所）李冰清團隊在蛋白質翻譯后修飾水平對其進行研究，發現沙門氏菌可通過與Fe代謝有關的基因——YdiU ，直接使高度保守的鐵穩態主要調節劑fur被UMP化修飾（UMPylation），從而消除Fur的Fe吸收抑制能力，最終促進沙門氏菌缺Fe時對Fe的吸收。并且還發現H118位點是Fur的主要UMP化位點，這對有效調控沙門氏菌的鐵穩態機制具有重大意義。
研究第一步，作者模擬了其缺Fe環境，通過qPCR和westernblot測定了不同濃度聯吡啶培養條件下以及600μM聯吡啶培養不同時間下的沙門氏菌YdiU在mRNA和蛋白水平上的表達量（圖1A-D）。結果表明YdiU能被聯吡啶有效誘導表達，說明YdiU可以響應金屬缺乏信號。且用聯吡啶或正常LB培養基同時處理YdiU敲除菌株（ΔydiU）與野生型菌株（WT）時（圖1E-G），通過細菌存活率進一步表明YdiU能被金屬缺乏信號有效誘導，而Fe的回補實驗（圖1H）可以說明YdiU參與Fe的代謝途徑。

文章圖片
圖1YdiU被金屬缺乏信號有效誘導
有研究表明，為了對抗宿主的營養免疫，腸桿菌科細菌體內合成的腸菌素（Ent）被分泌到體外來捕獲鐵原子，隨后結合了Fe的Ents被一系列鐵腸桿菌吸收蛋白（FepABCDEG）識別并運輸到體內，以此提升細菌在缺鐵條件下的生存率（圖2D）。因此作者借助基于質譜的蛋白質組學，找到了WT和ΔydiU沙門氏菌在金屬缺乏條件下的251個差異表達蛋白（圖2C）。其中一些Fe吸收相關蛋白在ΔydiU菌株中被顯著抑制（圖2B）。隨后結合qPCR（圖2E-F）以及ICP-MS（圖2G）的結果推測， YdiU是作為一個吸收Fe的激活子，通過上調Fe吸收相關基因轉錄本，增加參與腸桿菌素生物合成和鐵-腸桿菌素吸收的蛋白質水平，來促進沙門氏菌在缺鐵條件下的鐵攝取。

文章圖片
圖2金屬缺乏條件下WT和ΔydiU沙門氏菌的蛋白組學及ICP-MS分析結果
和之前的研究相比，作者在蛋白質組學數據中還發現，在缺Fe條件下，沙門氏菌鐵攝取途徑的主要調控基因Fur的蛋白水平在WT和ΔydiU菌株中無明顯差異，同等條件下通過qPCR檢測其mRNA水平，同樣顯示出兩者無明顯差異。由此說明， YdiU對鐵攝取途徑的調節必須發生在Fur轉錄后一步。隨后查閱文獻可知， YdiU是一種催化蛋白翻譯后修飾的酶。之前的蛋白質組學結果表明，在表達YdiU的沙門氏菌中存在46個UMP化蛋白，其中包括Fur ，且它在H33位發生UMP化。由于Fur是鐵攝取的主要調節器，這表明YdiU通過直接對Fur進行UMP化來發揮其功能，另外還發現YdiU是在Fur的H118位點對其進行UMP化。