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重慶大學(xué)陳猷鵬團(tuán)隊(duì)WR：揭秘厭氧氨氧化菌中細(xì)菌鐵蛋白的結(jié)構(gòu)和功能——鐵存儲(chǔ)位點(diǎn)用于維持胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)

時(shí)間：2023-07-28 來源：瀏覽：

重慶大學(xué)陳猷鵬團(tuán)隊(duì)WR：揭秘厭氧氨氧化菌中細(xì)菌鐵蛋白的結(jié)構(gòu)和功能——鐵存儲(chǔ)位點(diǎn)用于維持胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)

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丨論文 ID 丨

原名： Unraveling the structure and function of bacterioferritin in Candidatus Kuenenia stuttgartiensis: Iron storage sites maintain cellular iron homeostasis

譯名：揭秘厭氧氨氧化菌中細(xì)菌鐵蛋白的結(jié)構(gòu)和功能 : 鐵存儲(chǔ)位點(diǎn)用于維持胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)

期刊： Water Research

IF ： 12.8

發(fā)表時(shí)間： 2023 年 6 月

通訊作者：陳猷鵬教授

作者單位：重慶大學(xué)

丨文章亮點(diǎn)丨

利用外源基因表達(dá)方法首次成功純化了 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中的細(xì)菌鐵蛋白（ Kuenenia stuttgartiensis bacterioferritin ， K.S Bfr ）。
在體外， K.S Bfr 可氧化 Fe ²⁺ 并將其以礦物鐵的形式存儲(chǔ)于蛋白隔室中。
在體內(nèi)， K.S Bfr 可顯著提高工程菌對(duì) Fe ²⁺ 的適應(yīng)性。
Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中的細(xì)菌鐵蛋白 K.S Bfr 是鐵的儲(chǔ)存位點(diǎn)。

丨文章簡介丨

厭氧氨氧化技術(shù)是目前最具前景的水處理技術(shù)之一，作為厭氧氨氧化過程的執(zhí)行者，厭氧氨氧化菌也受到了廣泛關(guān)注。厭氧氨氧化菌的生長嚴(yán)重依賴于 Fe ²⁺ ，因此在細(xì)菌培養(yǎng)階段，經(jīng)常需要添加 Fe ²⁺ 作為補(bǔ)充。厭氧氨氧化細(xì)菌含有豐富的富鐵納米顆粒，尤其是 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 。目前，在 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中，已發(fā)現(xiàn)了兩種被注釋為細(xì)菌鐵蛋白的基因。進(jìn)一步的研究表明，這些富鐵納米顆粒為 α-Fe ₂ O ₃ 礦核，且大多被儲(chǔ)存于細(xì)菌鐵蛋白中。然而，目前對(duì)于細(xì)菌鐵蛋白在生物學(xué)上意義還尚未明確。本研究利用重組蛋白表達(dá)系統(tǒng)從大腸桿菌中獲得了 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 的細(xì)菌鐵蛋白（ Kuenenia stuttgartiensis bacterioferritin ， K.S Bfr ），并對(duì)其鐵存儲(chǔ)功能和生物學(xué)意義進(jìn)行了探索。

為此，成功地在大腸桿菌（含有 K.S Bfr 的工程菌）中表達(dá)并純化了純度在 90% 以上的細(xì)菌鐵蛋白 K.S Bfr ，同時(shí)對(duì)蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。 K.S Bfr 是一種 24 聚體蛋白，每個(gè)亞基都包含一個(gè)氧化鐵酶中心（圖 1 ）。

圖 1 K.S Bfr 的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。 (a) K.S Bfr 的自組裝結(jié)構(gòu)圖。（ b ） K.S Bfr 的二聚體結(jié)構(gòu)圖。（ c ） K.S Bfr 的亞基。（ d ）鐵氧化酶中心 (FC) 。（ e ） K.S Bfr 的 4 重軸通道和 3 重軸通道。 - 來自原文

在體外，通過透射電鏡觀察到自組裝的 K.S Bfr 球蛋白，蛋白呈紅色，粒徑約為 10~13 nm （圖 2 ）。

圖 2 純化后的 K.S Bfr 。 (a) 純化后的 K.S Bfr 蛋白。 (b)SDS-PAGE 分析。 (c) K.S Bfr 的粒徑分析。 (d) K.S Bfr 球蛋白的透射電鏡圖。 (e) K.S Bfr 多聚體透射電鏡圖。 - 來自原文

自組裝的 K.S Bfr 具有氧化能力，可結(jié)合 Fe ²⁺ 并以礦物鐵 (Ⅲ) 的形式存儲(chǔ)于蛋白內(nèi)腔，揭示了 K.S Bfr 對(duì) Fe ²⁺ 的存儲(chǔ)能力。在體內(nèi)，含有 K.S Bfr 的工程菌對(duì) Fe ²⁺ 表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，在 5 mM Fe ²⁺ 環(huán)境下，工程菌的存活率為 78.9% ，而缺乏 K.S Bfr 的野生菌的存活率僅為 66.0% （圖 3 ）。另外，動(dòng)力學(xué)研究也表明，工程菌對(duì) Fe ²⁺ 具有更強(qiáng)的吸收能力。

圖 3 工程菌對(duì) Fe ²⁺ 的適應(yīng)性。 (a) 不同 Fe ²⁺ 濃度下工程菌 ( 藍(lán)色 ) 和野生菌 ( 紫色 ) 的存活率。 (b) 添加 2.5 mM Fe ²⁺ 時(shí)培養(yǎng)基中的剩余鐵含量。 (c) 和 (d) 為野生型細(xì)菌和工程型細(xì)菌在 2.5 mM Fe ²⁺ 作用下的凋亡情況。 - 來自原文

為進(jìn)一步確定 K.S Bfr 在工程菌調(diào)控 Fe ²⁺ 時(shí)的作用，本研究利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)解析了工程菌的代謝通路。結(jié)果表明，野生菌（不含 K.S Bfr ）因缺乏鐵存儲(chǔ)系統(tǒng)導(dǎo)致其存活率較低。工程菌包含了完整的鐵調(diào)節(jié)過程，包括對(duì) Fe ²⁺ 的響應(yīng)、運(yùn)輸和鐵穩(wěn)態(tài)（圖 4 ）。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，在工程菌中有一條類似于厭氧氨氧化菌的鐵調(diào)節(jié)策略，該系統(tǒng)由鐵吸收調(diào)節(jié)器 Fur 控制， Fe ²⁺ 通過 FeoB 運(yùn)輸，隨后過量的鐵被儲(chǔ)存于 K.S Bfr 中以維持細(xì)胞內(nèi)的鐵穩(wěn)態(tài)。 K.S Bfr 的發(fā)現(xiàn)揭示了富鐵納米粒子的儲(chǔ)存位置，增加了對(duì)鐵依賴性細(xì)菌在高鐵環(huán)境中適應(yīng)性的理解，并提出了厭氧氨氧化細(xì)菌中可能的鐵調(diào)節(jié)策略。

圖 4 在 ‘WB+ Fe ²⁺ vs EB+ Fe ²⁺ ’ GO 富集分析中與金屬離子相關(guān)的上調(diào)基因 (fold change >1.5 and p <0.01) 。 - 來自原文

丨重要結(jié)論丨

利用重組蛋白表達(dá)系統(tǒng)成功的在體外純化了 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中的細(xì)菌鐵蛋白 K.S Bfr 。
含有 K.S Bfr 的工程菌對(duì)高濃度 Fe ²⁺ 具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。
K.S Bfr 是 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中的鐵儲(chǔ)存位點(diǎn)，也是維持細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)的生物場所。

※ 原文信息：

※ 原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135423004529

※ 作者簡介：

第一作者

王謹(jǐn)，博士研究生，就讀于重慶大學(xué)，主要研究領(lǐng)域?yàn)閰捬醢毖趸夹g(shù)。

通訊作者

陳猷鵬，博士，教授，任職于重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，研究領(lǐng)域?yàn)閺U水生物處理理論與技術(shù)。

來源： WR中文推送；編輯：胡哲太，昆士蘭大學(xué)，鄭敏，昆士蘭大學(xué)，校核：黃育初，華中科技大學(xué) 。投稿、合作、轉(zhuǎn)載、進(jìn)群，請(qǐng)?zhí)砑有【幬⑿臙nvironmentor2020！環(huán)境人Environmentor是環(huán)境領(lǐng) 域 最大的學(xué)術(shù)公號(hào) ，擁有 15W+活躍讀者 。由于微信修改了推送規(guī)則，請(qǐng)大家將環(huán)境人Environmentor加為 星標(biāo) ，或每次看完后點(diǎn)擊頁面下端的 “賞” ，這樣可以第一時(shí)間收到我們每日的推文！環(huán)境人Environmentor現(xiàn)有綜合群、期刊投稿群、基金申請(qǐng)群、留學(xué)申請(qǐng)群、各研究領(lǐng)域群等共20余個(gè)，歡迎大家加小編微信Environmentor2020，我們會(huì)盡快拉您進(jìn)入對(duì)應(yīng)的群。