【文献解读】源井CRISPR-B技术助力解密沙门氏菌与Fe的爱恨情仇 _健康小知识

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沙门氏菌病是指由各种类型沙门氏菌所引起的对人类、家畜以及野生禽兽不同形式的总称。感染的人或其他动物粪便中的沙门氏菌会污染食品，可使人发生食物中毒。据统计在世界各国的细菌性食物中毒中，沙门氏菌引起的食物中毒常列榜首，我国内陆地区也以沙门氏菌为首位。因此对沙门氏菌在宿主内生存适应机制进行研究，对沙门氏菌感染后治疗十分重要。
和其他肠杆菌科细菌相同，沙门氏菌也需要辅因子Fe来参与其固氮、DNA合成和损伤修复等多个重要生命过程。然而在自然界中的Fe ，很难被沙门氏菌直接利用，所以沙门氏菌从宿主细胞中获得足够的Fe对其定植及生存至关重要。但宿主可通过营养免疫来限制其对Fe的吸收，因此沙门氏菌进化出一种具有高铁亲和力的儿茶酚铁载体——肠菌素（Ent）来对抗宿主的营养免疫。可矛盾的是，高浓度Fe会产生Fenton反应，从而产生大量羟自由基，导致沙门氏菌的死亡。最终在与宿主的相爱相杀过程中，沙门氏菌进化出铁稳态机制，可使其在获取所需铁的同时，又避免过量铁引起的毒害反应。
针对这一铁稳态机制，山东第一医科大学基础医学院（基础医学研究所）李冰清团队在蛋白质翻译后修饰水平对其进行研究，发现沙门氏菌可通过与Fe代谢有关的基因——YdiU ，直接使高度保守的铁稳态主要调节剂fur被UMP化修饰（UMPylation），从而消除Fur的Fe吸收抑制能力，最终促进沙门氏菌缺Fe时对Fe的吸收。并且还发现H118位点是Fur的主要UMP化位点，这对有效调控沙门氏菌的铁稳态机制具有重大意义。
研究第一步，作者模拟了其缺Fe环境，通过qPCR和westernblot测定了不同浓度联吡啶培养条件下以及600μM联吡啶培养不同时间下的沙门氏菌YdiU在mRNA和蛋白水平上的表达量（图1A-D）。结果表明YdiU能被联吡啶有效诱导表达，说明YdiU可以响应金属缺乏信号。且用联吡啶或正常LB培养基同时处理YdiU敲除菌株（ΔydiU）与野生型菌株（WT）时（图1E-G），通过细菌存活率进一步表明YdiU能被金属缺乏信号有效诱导，而Fe的回补实验（图1H）可以说明YdiU参与Fe的代谢途径。

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图1YdiU被金属缺乏信号有效诱导
有研究表明，为了对抗宿主的营养免疫，肠杆菌科细菌体内合成的肠菌素（Ent）被分泌到体外来捕获铁原子，随后结合了Fe的Ents被一系列铁肠杆菌吸收蛋白（FepABCDEG）识别并运输到体内，以此提升细菌在缺铁条件下的生存率（图2D）。因此作者借助基于质谱的蛋白质组学，找到了WT和ΔydiU沙门氏菌在金属缺乏条件下的251个差异表达蛋白（图2C）。其中一些Fe吸收相关蛋白在ΔydiU菌株中被显著抑制（图2B）。随后结合qPCR（图2E-F）以及ICP-MS（图2G）的结果推测， YdiU是作为一个吸收Fe的激活子，通过上调Fe吸收相关基因转录本，增加参与肠杆菌素生物合成和铁-肠杆菌素吸收的蛋白质水平，来促进沙门氏菌在缺铁条件下的铁摄取。

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图2金属缺乏条件下WT和ΔydiU沙门氏菌的蛋白组学及ICP-MS分析结果
和之前的研究相比，作者在蛋白质组学数据中还发现，在缺Fe条件下，沙门氏菌铁摄取途径的主要调控基因Fur的蛋白水平在WT和ΔydiU菌株中无明显差异，同等条件下通过qPCR检测其mRNA水平，同样显示出两者无明显差异。由此说明， YdiU对铁摄取途径的调节必须发生在Fur转录后一步。随后查阅文献可知， YdiU是一种催化蛋白翻译后修饰的酶。之前的蛋白质组学结果表明，在表达YdiU的沙门氏菌中存在46个UMP化蛋白，其中包括Fur ，且它在H33位发生UMP化。由于Fur是铁摄取的主要调节器，这表明YdiU通过直接对Fur进行UMP化来发挥其功能，另外还发现YdiU是在Fur的H118位点对其进行UMP化。