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重庆大学陈猷鹏团队WR：揭秘厌氧氨氧化菌中细菌铁蛋白的结构和功能——铁存储位点用于维持胞内铁稳态

时间：2023-07-28 来源：浏览：

重庆大学陈猷鹏团队WR：揭秘厌氧氨氧化菌中细菌铁蛋白的结构和功能——铁存储位点用于维持胞内铁稳态

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丨论文 ID 丨

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

译名：揭秘厌氧氨氧化菌中细菌铁蛋白的结构和功能 : 铁存储位点用于维持胞内铁稳态

期刊： Water Research

IF ： 12.8

发表时间： 2023 年 6 月

通讯作者：陈猷鹏教授

作者单位：重庆大学

丨文章亮点丨

利用外源基因表达方法首次成功纯化了 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中的细菌铁蛋白（ Kuenenia stuttgartiensis bacterioferritin ， K.S Bfr ）。
在体外， K.S Bfr 可氧化 Fe ²⁺ 并将其以矿物铁的形式存储于蛋白隔室中。
在体内， K.S Bfr 可显著提高工程菌对 Fe ²⁺ 的适应性。
Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中的细菌铁蛋白 K.S Bfr 是铁的储存位点。

丨文章简介丨

厌氧氨氧化技术是目前最具前景的水处理技术之一，作为厌氧氨氧化过程的执行者，厌氧氨氧化菌也受到了广泛关注。厌氧氨氧化菌的生长严重依赖于 Fe ²⁺ ，因此在细菌培养阶段，经常需要添加 Fe ²⁺ 作为补充。厌氧氨氧化细菌含有丰富的富铁纳米颗粒，尤其是 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 。目前，在 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中，已发现了两种被注释为细菌铁蛋白的基因。进一步的研究表明，这些富铁纳米颗粒为 α-Fe ₂ O ₃ 矿核，且大多被储存于细菌铁蛋白中。然而，目前对于细菌铁蛋白在生物学上意义还尚未明确。本研究利用重组蛋白表达系统从大肠杆菌中获得了 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 的细菌铁蛋白（ Kuenenia stuttgartiensis bacterioferritin ， K.S Bfr ），并对其铁存储功能和生物学意义进行了探索。

为此，成功地在大肠杆菌（含有 K.S Bfr 的工程菌）中表达并纯化了纯度在 90% 以上的细菌铁蛋白 K.S Bfr ，同时对蛋白结构进行了预测。 K.S Bfr 是一种 24 聚体蛋白，每个亚基都包含一个氧化铁酶中心（图 1 ）。

图 1 K.S Bfr 的结构预测。 (a) K.S Bfr 的自组装结构图。（ b ） K.S Bfr 的二聚体结构图。（ c ） K.S Bfr 的亚基。（ d ）铁氧化酶中心 (FC) 。（ e ） K.S Bfr 的 4 重轴通道和 3 重轴通道。 - 来自原文

在体外，通过透射电镜观察到自组装的 K.S Bfr 球蛋白，蛋白呈红色，粒径约为 10~13 nm （图 2 ）。

图 2 纯化后的 K.S Bfr 。 (a) 纯化后的 K.S Bfr 蛋白。 (b)SDS-PAGE 分析。 (c) K.S Bfr 的粒径分析。 (d) K.S Bfr 球蛋白的透射电镜图。 (e) K.S Bfr 多聚体透射电镜图。 - 来自原文

自组装的 K.S Bfr 具有氧化能力，可结合 Fe ²⁺ 并以矿物铁 (Ⅲ) 的形式存储于蛋白内腔，揭示了 K.S Bfr 对 Fe ²⁺ 的存储能力。在体内，含有 K.S Bfr 的工程菌对 Fe ²⁺ 表现出良好的适应性，在 5 mM Fe ²⁺ 环境下，工程菌的存活率为 78.9% ，而缺乏 K.S Bfr 的野生菌的存活率仅为 66.0% （图 3 ）。另外，动力学研究也表明，工程菌对 Fe ²⁺ 具有更强的吸收能力。

图 3 工程菌对 Fe ²⁺ 的适应性。 (a) 不同 Fe ²⁺ 浓度下工程菌 ( 蓝色 ) 和野生菌 ( 紫色 ) 的存活率。 (b) 添加 2.5 mM Fe ²⁺ 时培养基中的剩余铁含量。 (c) 和 (d) 为野生型细菌和工程型细菌在 2.5 mM Fe ²⁺ 作用下的凋亡情况。 - 来自原文

为进一步确定 K.S Bfr 在工程菌调控 Fe ²⁺ 时的作用，本研究利用转录组学解析了工程菌的代谢通路。结果表明，野生菌（不含 K.S Bfr ）因缺乏铁存储系统导致其存活率较低。工程菌包含了完整的铁调节过程，包括对 Fe ²⁺ 的响应、运输和铁稳态（图 4 ）。同时，本研究发现，在工程菌中有一条类似于厌氧氨氧化菌的铁调节策略，该系统由铁吸收调节器 Fur 控制， Fe ²⁺ 通过 FeoB 运输，随后过量的铁被储存于 K.S Bfr 中以维持细胞内的铁稳态。 K.S Bfr 的发现揭示了富铁纳米粒子的储存位置，增加了对铁依赖性细菌在高铁环境中适应性的理解，并提出了厌氧氨氧化细菌中可能的铁调节策略。

图 4 在 ‘WB+ Fe ²⁺ vs EB+ Fe ²⁺ ’ GO 富集分析中与金属离子相关的上调基因 (fold change >1.5 and p <0.01) 。 - 来自原文

丨重要结论丨

利用重组蛋白表达系统成功的在体外纯化了 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中的细菌铁蛋白 K.S Bfr 。
含有 K.S Bfr 的工程菌对高浓度 Fe ²⁺ 具有更强的适应性。
K.S Bfr 是 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 中的铁储存位点，也是维持细胞内铁稳态的生物场所。

※ 原文信息：

※ 原文链接：

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

※ 作者简介：

第一作者

王谨，博士研究生，就读于重庆大学，主要研究领域为厌氧氨氧化技术。

通讯作者

陈猷鹏，博士，教授，任职于重庆大学环境与生态学院，研究领域为废水生物处理理论与技术。

来源： WR中文推送；编辑：胡哲太，昆士兰大学，郑敏，昆士兰大学，校核：黄育初，华中科技大学。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有 15W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。