細菌感應金屬信號及調節(jié)金屬穩(wěn)態(tài)的研究進展

劉一超, 戰(zhàn)崳華, 柯秀彬, 燕永亮

中國農業(yè)科學院生物技術研究所, 北京100081

過渡金屬元素(又稱為D區(qū)元素)錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅等和一些相對不常見的微量金屬元素鉬、鎢和釩等都是生物體的重要組成部分，它們在許多酶和轉錄因子行使功能的過程中參與活性構象的形成或起著重要的催化作用。事實上，自然界最核心的生物能量轉換和物質轉換過程(呼吸作用、光合作用和固氮作用等)都完全依賴于金屬離子輔助因子[1]；然而，微量金屬元素在機體或細胞內過量存在時可能會產生不利于細胞生存的有害物質，如過量的鐵是細菌自身過氧化損傷的“元兇”[2]。對于所有形式的生命來說，控制金屬穩(wěn)態(tài)都是至關重要的，因此細菌也必須通過不同的監(jiān)測和應答體系來嚴格控制微量金屬元素的吸收、儲存、利用和外排過程以維持體內的金屬穩(wěn)態(tài)。

1 細菌的金屬穩(wěn)態(tài)

過渡金屬對DNA、RNA和許多蛋白質的合成和生物活性至關重要，而這些組分是新陳代謝和信號傳遞等過程的重要組分，幾乎涉及每一個生命過程。但隨著科學研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)雖然對于各種金屬的需求量有種間差異，但過量的金屬可能會轉變?yōu)槎玖σ蜃?，從而對細胞造成損傷，因此細胞必須在各種環(huán)境條件下都嚴格調控胞內的金屬濃度以維持其活力。廣泛的調控和蛋白質編碼機制致力于維持生物所需金屬離子的“穩(wěn)態(tài)”，并且越來越多的研究結果強調了“穩(wěn)態(tài)”對細胞生存的重要性。穩(wěn)態(tài)被定義為維持最佳生物可利用濃度，通過平衡金屬吸收和細胞內運輸與流出/儲存的過程，使細胞對該金屬離子的需求得到滿足，即將“合適的”金屬在合適的時間插入“合適的”大分子中[3,4]。

在細菌中，金屬輔因子的胞內穩(wěn)態(tài)絕大部分由特定的金屬感應性轉錄因子調節(jié)。這些金屬調節(jié)因子被劃分為七個不同的家族，它們在監(jiān)測和維持六種生物體必需的過渡金屬Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu+、Zn2+以及其他微量元素如Ag、Au、Cd2+和Hg2+等的濃度適宜方面發(fā)揮關鍵作用[5]。其中最典型的一個家族，即鐵吸收調節(jié)因子Fur蛋白家族，通過包括鐵吸收調節(jié)蛋白Fur、錳吸收調節(jié)蛋白(manganese uptake regulator，Mur)、鋅吸收調節(jié)蛋白(zinc uptake regulator，Zur)和鎳吸收調節(jié)蛋白(nickel uptake regulator，Nur)在內的一系列蛋白參與鐵、錳、鋅和鎳的穩(wěn)態(tài)調節(jié)。除了這些成員，F(xiàn)ur家族蛋白還包括過氧化物應激調節(jié)劑(peroxide stress regulator，PerR)和血紅素依賴性鐵響應調節(jié)劑(iron responsive regulator，Irr)[6～11]。這里將以Fur家族蛋白核心成員鐵吸收調節(jié)蛋白Fur對Fe穩(wěn)態(tài)的核心調控作用為例來介紹細菌維持金屬元素胞內穩(wěn)態(tài)的典型過程。

1.1 鐵吸收調節(jié)蛋白Fur

鐵吸收調節(jié)蛋白Fur是Fur家族蛋白的核心成員，它是30多年前最初在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的一種典型的金屬調節(jié)劑[6]，同時也是一種二聚體的DNA結合蛋白，但是與DNA的高親和結合活性的產生需要蛋白本身與二價陽離子結合[7]。除了高GC的一些革蘭氏陽性菌如分枝桿菌(Mycobacteriumspp.)和古細菌等外，F(xiàn)ur是調節(jié)其余幾乎所有原核生物鐵平衡的最重要元件。Fur蛋白作為鐵調節(jié)啟動子的轉錄抑制因子，通過二聚體與轉錄起始位點上游的特異序列結合而發(fā)揮作用[12]。Escolar等[13]研究發(fā)現(xiàn)與Fur二聚體結合的特定DNA片段(又稱為Fur Box)是一段序列為5′-GATAATGATAATCATTATC-3′的回文序列或較小的重復序列，也可能是一段重疊基序。

1.2 Fur蛋白對細菌鐵代謝的核心調控作用

當鐵含量較高時，F(xiàn)ur結合Fe2+，形成適合結合到靶DNA序列的結構從而抑制轉錄[12]。Fur調節(jié)基因包括用于鐵載體生物合成、鐵載體(嗜鐵素)依賴性三價鐵轉運蛋白和亞鐵轉運蛋白[12,14～15]等。在鐵缺乏或細胞難以獲得鐵的情況下，F(xiàn)e2+會從Fur上移位，隨后從靶DNA序列上被釋放，鐵調節(jié)的基因被去阻遏。雖然大多數鐵調節(jié)的基因受到Fur的抑制，但在fur突變株中一些基因的表達水平與野生型相比有所下調，這表明有些基因是被Fur激活的，這些基因(如acnA、bfr、ftnA、fumA、sdhCDAB、sodB)的共性是它們都編碼含有Fe或Fe-S簇的蛋白質[13,16]。Masse和Gottesman[17,18]研究發(fā)現(xiàn)一種小的非編碼RNA RyhB對這些基因存在抑制作用，而Fur會抑制RyhB的表達(圖1)。因此，在低鐵條件下，RhyB表達并下調許多編碼含鐵或鐵儲存蛋白的基因表達，從而釋放鐵以用于細胞必需的生理活動。

Fur通過與Fur啟動子重疊的Fur box結合來進行自身表達的自我調節(jié)，在鐵充足的情況下Fur會抑制自身的轉錄[6]。另外，由于細菌的鐵平衡和氧化應激之間的密切聯(lián)系，F(xiàn)ur的轉錄也受氧化還原調節(jié)劑OxyR的調節(jié)。OxyR與氧化應激反應有關[19]，在被過氧化氫激活后會誘導特定的抗氧化基因的轉錄，包括ahpCF(烷基過氧化物酶alkyl hydro peroxidase)、katG(氫過氧化物酶I hydro peroxidase I)、gorA(谷胱甘肽還原酶glutathione reductase)和grxA(谷氧還蛋白I glutathione reductase I)等[20]。由于鐵可以通過Fenton反應產生羥基自由基，因此在氧化應激期間OxyR也可以誘導fur的轉錄[19]。也就是說，氧化應激條件下Fur蛋白水平的增加不僅導致鐵轉運基因被抑制，也使得Fenton反應產生的羥基自由基減少。

圖1 Fur蛋白和RhyB介導的鐵調基因的調控Fig.1 Fur- and RyhB-mediated regulation of iron-regulated genes.

在鐵代謝中，F(xiàn)ur蛋白不僅調控鐵的攝取過程，還參與調節(jié)細菌體內的鐵存儲和利用。當胞內游離鐵過多時，大腸桿菌的Fur蛋白會正調節(jié)Fe-S簇化合物或順烏頭酸酶等的鐵利用蛋白質和Dps或FtnA等鐵儲存蛋白質的轉錄和表達，從而加速鐵的消耗或將多余的鐵儲存起來；當細菌體內缺乏游離鐵時，F(xiàn)ur蛋白對鐵利用和鐵儲存蛋白的促進作用消除[21]。

除此之外，F(xiàn)ur蛋白與致病菌之間的關系也是近些年科學家研究的熱點，這是由于病原菌中的嗜鐵素與宿主對鐵的競爭是能否成功感染的決定性因素，F(xiàn)ur蛋白與致病菌發(fā)病機制之間的關系與這些微生物在不同的宿主中所涉及的鐵限制條件有關。但Fur對毒力的關鍵貢獻在于其作為毒力轉錄激活因子的復雜作用，而非作為金屬獲取的轉錄抑制因子的經典作用[22]。

事實上并非所有轉錄調控蛋白都直接與金屬離子結合，而是控制編碼轉運蛋白基因的表達，這些轉運蛋白在金屬缺乏或過載時直接參與金屬穩(wěn)態(tài)的構建：通過與特定的金屬離子形成蛋白質-金屬配位復合物來調節(jié)或控制胞內金屬的攝取、外排、運輸和存儲[23]。目前出現(xiàn)的一種假設是，為了調控某種特定的金屬離子的胞內穩(wěn)態(tài)，內穩(wěn)態(tài)機制的每個組分必須在當前條件下對該特定金屬離子有區(qū)別于其他離子的選擇性[24]。此外，機體或細胞也必須“協(xié)調”其各個系統(tǒng)以使每個組分的親和性和靈敏度相互匹配，或者通過雙金屬傳感器蛋白協(xié)調基因表達從而停止對金屬的攝取，并增加其輸出或加速解毒系統(tǒng)對金屬離子的處理過程，又或者通過對胞內從金屬供體到受體靶蛋白的金屬通路的調節(jié)來促進其矢量運輸[25,26]。

2 金屬調節(jié)系統(tǒng)

為了適應不斷變化的環(huán)境，細菌進化出了復雜的機制將特定金屬的濃度維持在足以滿足細胞需求的水平，但又要使該濃度低于產生毒力的閾值下限。研究者們定義了兩個關鍵的參數[27]來量化和易化細胞對金屬的需求：首先，將胞內某金屬的總含量定義為配額，其次，將在細胞需要時可被及時獲取的一個動態(tài)金屬離子池定義為配額的子集，它可以被隨時利用且可被監(jiān)測系統(tǒng)感知。不穩(wěn)定池的絕對大小很難測量，但它作為金屬離子的緩沖池，一直處于一個熱力學平衡的狀態(tài)。

在革蘭氏陽性菌模式菌株枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)中，鋅、鐵和錳的配額相對于細胞容量的平均值為0.1～0.5 mmol/L[28]。不同菌種間胞內鋅的配額相對穩(wěn)定，而對鐵和錳的需求則存在較大的種間差異。例如，嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)[29]和伯氏疏螺旋體(Borreliaburgdorferi，萊姆病的病原體)[30]對元素鐵沒有特殊的需求，但如果鐵充足，大腸桿菌對錳的需求量會大大降低[31]。相比之下，枯草芽孢桿菌的生長對鐵和錳的需求是不可被其他條件置換的[32]。金屬調節(jié)系統(tǒng)的功能就是確保細胞對不同金屬的需求得到滿足，它們通過監(jiān)測胞內金屬離子池的動態(tài)并相應地調節(jié)基因表達來執(zhí)行這一功能(圖2)。

圖2 金屬調節(jié)體系類型[27]Fig.2 Types of metalloregulatory systems[27].注：金屬感應調節(jié)器分為三類：A.直接金屬傳感器：通過直接結合金屬(例如Zn2+與Zur的結合[8])來調節(jié)轉錄；B.下游產物敏感的金屬調節(jié)因子：通過金屬依賴性代謝物的水平來監(jiān)測胞內的金屬水平。日本慢生根瘤菌(Bradyrhizobium japonicum)的Irr通過血紅素間接感應Fe2+水平[33]；C.金屬感應核糖開關：yybP-ykoY Mn2+感應核糖開關，它可在轉錄和翻譯水平分別發(fā)揮作用[34]。在枯草芽孢桿菌中Mn2+的結合有利于RNA構象的形成，這種構象阻止了一個固有轉錄終止發(fā)夾的形成[35]。

2.1 直接金屬傳感器

這類金屬調節(jié)蛋白的作用是確保金屬吸收和轉運系統(tǒng)在金屬限制條件下表達，而儲存和外排系統(tǒng)在金屬過量條件下表達。例如，當胞內金屬離子充足時，結合了金屬的完全阻遏物可能會抑制在金屬攝取相關基因的表達 (圖2A)，而感應過量金屬的傳感器的金屬化可能會激活金屬存儲或外排時所需基因的表達[23]。這一過程的關鍵是金屬調節(jié)劑對其特異性的效應物做出應答，同時排除非同源(競爭)金屬影響的能力。如果金屬調節(jié)元件被非特異性的其他金屬錯誤金屬化，則金屬穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)可能會發(fā)生錯誤調節(jié)，甚至會對細胞造成損傷。

2.1.1Fur蛋白的鐵(Fe2+/Fe3+)感應 鐵元素由于其獨特的氧化還原電位(根據所處氧氣環(huán)境的不同而以亞鐵(Fe2+)或鐵(Fe3+)兩種不同形式存在)而作為許多細胞過程必需酶的輔因子發(fā)揮著重要作用，包括TCA循環(huán)酶、電子傳遞鏈和氧代謝等[36]。雖然鐵匱乏不利于細胞在惡劣環(huán)境中的生存，但過量的鐵也是有毒的，部分原因是鐵會通過Fenton反應催化過氧化物產生高反應性的羥基自由基和超氧化物(公式1)[2]。鐵還可以作為一種調節(jié)微生物生理機能的壓力信號，如在惡臭假單胞菌(Pseudomonasputida)和銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)中鐵的穩(wěn)態(tài)直接影響抗生素的作用效果[37]，即鐵的濃度影響了細胞的抗生素敏感性。另外，對于許多病原菌來說，它們與宿主之間對有限鐵資源的爭奪可能是其感染力的決定因素[38]。來自腸桿菌科的革蘭氏陰性、兼性厭氧菌弗氏桿菌(Shigellaflexneri)和鼠疫耶爾森氏菌(Yersiniapestis)所需要的鐵濃度是μmol級[39]。這些細菌，包括主要的人類病原體志賀氏菌(Shigella)、沙門氏菌(Salmonella)和致病性大腸桿菌[40～42]等，必須在不同的氧濃度下都能正常攝取鐵(人類結腸的缺氧狀態(tài)、其他部位的微氧化狀態(tài)亦或外部環(huán)境的高氧條件)。

Fe3++·O2-→Fe2++O2

Fe2++H2O2→Fe3++OH+OH-→DNA Damage

(1)

在枯草芽孢桿菌中，鐵的充足與否也是由Fur來感應的。盡管經過了幾十年的研究，以及聯(lián)系Fur和類Fur調節(jié)器在不同金屬化狀態(tài)下的眾多晶體結構，此金屬傳感器在發(fā)揮作用時的金屬離子的精確定位仍有爭議[28]。Gaballa等[43]對枯草芽孢桿菌中Fur的研究給金屬感應位點相關問題提供了一些思路：與幾個典型的Fur家族成員類似，這種Fur蛋白具有緊密結合的結構Zn2+，它能夠與位點1結合，這是蛋白質折疊和二聚化所必需的；當二價金屬離子結合到另外兩個位點2和3時，蛋白的DNA結合活性才被激活；位點3比位點2結合金屬(可能是鐵)更緊密，并且最終鐵與位點2的結合導致Fur的DNA結合活性完全被激活；完全金屬化(活性)形式的Fur可能是具有2個Zn2+和多達4個Fe2+(Fur2：Zn2Fe4)的二聚體。

雖然Fur通常在體內特異性地響應Fe2+，但有時也會發(fā)生蛋白與Mn2+的錯誤結合[43]。實際上，在幾種變形細菌中，我們知道在Mn2+中毒條件下會出現(xiàn)Fur活性降低甚至被完全消除的情況，這表明當Fur被Mn2+金屬化時會抑制Fe2+的攝取[44]。相比之下，在枯草芽孢桿菌中，F(xiàn)ur被Fe2+選擇性激活，相應的解離常數(Kd)約為1 μmol/L，但它通常對Mn2+不太敏感(Kd值約為24 μmol/L[43])。Fur對Mn2+的親和力僅略低于MntR，后者相應的Kd值為6 μmol/L，此濃度可以反映平衡或金屬穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下胞內游離Mn2+的水平[43]。因此，相對于Mn2+來講，F(xiàn)ur對Fe2+的偏好性選擇是一種精細調節(jié)的平衡，并且細胞對Fur蛋白豐度的調節(jié)也是至關重要的：Fur蛋白水平增加兩倍會導致Fe2+穩(wěn)態(tài)失調，另外胞內的Mn2+會激活Fur并抑制鐵的流入，最終導致鐵匱乏[43]。

當環(huán)境中不涉及氧氣時，此時的鐵是可溶的Fe2+形式，細胞攝取鐵元素時會相對容易。在低氧環(huán)境或有還原劑存在時，鐵主要以還原形式的Fe2+存在。大多數細菌都進化出了針對這種環(huán)境因素的亞鐵運輸系統(tǒng)。大腸桿菌、沙門氏菌和志賀氏菌通常使用Feo和Sit系統(tǒng)來運輸Fe2+(圖3)。Feo轉運系統(tǒng)存在于大多數細菌中，且在腸桿菌科中，它由操縱子feoABC編碼[46]。Sit亞鐵運輸系統(tǒng)由sitABCD編碼，該系統(tǒng)存在于鼠傷寒腸桿菌、所有志賀氏菌種和一些致病性大腸桿菌中，但通常不存在于非病原體中[45]。

圖3 典型的亞鐵運輸系統(tǒng)[45]Fig.3 Typical Fe2+ transportation systems[45].

一旦環(huán)境中涉及氧氣，鐵將以其不溶的氧化鐵(Fe2O3)形式存在，細菌也因此進化出了一套溶解和運輸三價鐵進入細胞的機制。大多數細菌可以利用嗜鐵素(也稱為鐵載體或鐵蛋白)來溶解和運輸鐵[14]。

嗜鐵素通常是一些低分子量的化合物，它們對三價鐵有極高的親和力，在腸道中，嗜鐵素通常是兒茶醇、次生羥基化合物(二異羥肟酸酯)或聚酮和非核糖體肽化合物，細菌合成這些化合物并將其分泌到胞外，嗜鐵素在胞外會與游離鐵結合或從低親和力螯合物中爭奪鐵[47]。鐵-嗜鐵素復合物最后會通過外膜上高特異性的鐵-嗜鐵素受體轉運到細胞內[46](圖4)。有趣的是，細菌也會額外表達一些本身不能產生鐵蛋白的受體以利用其他微生物分泌的鐵載體來獲得鐵，例如大腸桿菌會產生兒茶酚鐵蛋白腸桿菌素，但它也能夠結合并運輸真菌的羥肟嗜鐵素高鐵色素[48]。

通過外膜轉運鐵-嗜鐵素所需的能量由TonB-ExbB-ExbD復合物提供，該復合物將胞質膜電化學電荷梯度的能量傳遞到外膜受體，使鐵-嗜鐵素主動轉運到周質[40,46]。一旦進入周質空間，周質結合蛋白則將鐵-嗜鐵素復合物傳遞給細胞質ABC-型轉運蛋白，它會將鐵-嗜鐵素運送到細胞質中[47]，細胞所需要的鐵元素則通過還原作用或復合物降解作用從嗜鐵素上分離[46](圖4)。

2.1.2MntR對Mn2+的感應 MntR是Mn2+穩(wěn)態(tài)的核心調控元件[43]?？莶菅挎邨U菌中的MntR是在幾種革蘭氏陽性菌中發(fā)現(xiàn)的白喉毒素阻遏物(diphtheria toxin repressor，DtxR)家族Fe2+傳感器的Mn2+感應元件子集中具有代表性的成員[2]。MntR蛋白二聚體的每個單體的A位點和C位點結合4個Mn2+(MntR2：Mn4)從而激活其DNA結合活性[49]。該系統(tǒng)中的金屬選擇性部分來自這兩個順序結合事件；Mn2+與A位點的結合有助于C位點結合第二個Mn2+[49]。Fe2+可以類似Mn2+的親和力與MntR蛋白結合在A位點，但這會使A位點形成不同于Mn2+結合時的空間結構，因此C位點結構被扭曲從而使得該位點的金屬結合受到抑制。所以，F(xiàn)e2+與MntR蛋白的結合不能產生DNA結合活性所需的變構，F(xiàn)e2+也因此可以作為MntR功能的拮抗劑[49]。MntR同源物在細菌中具有廣泛的種內保守性，包括大腸桿菌，并且也經常與Mn2+的感應有關，有時也涉及Fe2+的感應[50]。

2.1.3Zur和CzrA對Zn2+的感應 Zn2+穩(wěn)態(tài)的調節(jié)與Zur蛋白有關，它是Fur蛋白的旁系同源物，會被Zn2+激活并顯示出DNA的結合活性[8]。Zur也是二聚體蛋白質，具有結構Zn2+和第二Zn2+傳感位點[51]。Zur的DNA結合活性的激活分兩步進行：首先Zn2+與二聚體中的一個單體(Kd≈56 pmol/L)結合，然后再以與位點1相比約20倍的低親和力(Kd≈1.2 nmol/L)與第二位點結合。由于這種結合的負協(xié)同作用，無活性的Zur二聚體(Zur2∶Zn2)按順序被金屬化，首先形成Zur2∶Zn3，然后形成Zur2∶Zn4(圖4)。Zur的同源蛋白廣泛分布于細菌中，而其負協(xié)同作用對基因調控的影響就是，當某種細菌中不存在Zur蛋白時，功能類似的調節(jié)因子會調控與Zur調控的基因類似的基因。

圖4 Zur調節(jié)子的分步調控[27]Fig.4 Stepwise regulation mechanisms of the Zur regulator[27].

除了感應金屬的充足與否，細胞內也存在識別金屬過量的機制。在枯草芽孢桿菌中，監(jiān)測過量Zn2+的是一個叫做CzrA的調節(jié)蛋白[52]。CrzA的作用機制是在沒有調節(jié)性金屬離子的情況下，它會作為阻遏物與DNA結合，當它被Zn2+金屬化后，CrzA與DNA分離，從而誘導并啟動兩個外排系統(tǒng)CadA P型ATP酶和CzcD6陽離子擴散促進劑型轉運體(facilitator type transporter)[52]。通常情況下，外排是細菌處理過量金屬離子最有效的機制。最近的研究中已經鑒定出了類似的介導枯草芽孢桿菌中Fe2+和Mn2+的外排的蛋白質[53,54]。在這些情況下，抑制金屬離子攝取的調節(jié)蛋白也可以激活外排基因的表達：Fur和MntR都是雙功能調節(jié)因子[53,54]，二者都可以響應不同的金屬水平和狀態(tài)來相應地抑制或激活基因的表達。

2.2 間接金屬調節(jié)器：通過監(jiān)測下游產物水平替代直接的金屬感應

通過監(jiān)測鐵代謝的主要產物而不是離子本身的水平[33]，細胞也可以選擇性地感應Fe2+。在細菌細胞中，鐵主要用于組裝含血紅蛋白和含F(xiàn)e-S簇的酶[46]，細菌已經進化出用于感知這些鐵依賴性產物的金屬調節(jié)系統(tǒng)以間接監(jiān)測細胞內的鐵水平。

例如，首先在慢生型大豆根瘤菌(Bradyrhizobiumjaponicum)中發(fā)現(xiàn)的鐵響應調節(jié)劑(Irr)是Fur家族蛋白，它會抑制參與血紅素生物合成、鐵儲存、Fe2+外排和鐵利用蛋白的基因轉錄，并直接激活參與鐵攝取、血紅素利用和三羧酸(TCA)循環(huán)的基因[55]。Irr蛋白可以通過血紅素來間接感應Fe2+水平(圖2B)：這個功能是通過與亞鐵螯合酶的直接結合作用來行使的[33]。亞鐵螯合酶的作用是將鐵插入原卟啉環(huán)中從而催化血紅素形成的，這是血紅素生物合成的最后步驟。在Fe2+充足時，亞鐵螯合酶催化生成血紅素，然后血紅素與Irr的結合會導致Irr降解。當Fe2+匱乏時，原卟啉環(huán)與Irr相結合，這使得Irr從血紅素-Irr復合物上被釋放從而正調控轉錄。

2.3 通過核糖開關識別金屬離子:RNA作為傳感器

盡管RNA分子對配體的選擇較為有限，但它們也已演變?yōu)榻饘俚倪x擇性傳感器。第一個被報道的金屬感應核糖開關來自腸沙門氏菌亞種(Salmonellaentericasubsp.)中mgtA基因的上游，該基因編碼了一種與 Mg2+吸收有關的蛋白質[56]。后來的研究也揭示了這種Mg2+傳感器的結構和作用機理，該研究表明，在枯草芽孢桿菌中起作用的是一個被稱為mgtE的核糖開關[56,57]。與Mg2+結合后的核糖開關會轉變?yōu)榫o密構象，這種結構可以阻擋抗終止劑的結合從而有利于轉錄的終止[57]。有趣的是，MgtE通道本身也受細胞內Mg2+的變構調節(jié)，并被5～10 mmol/L Mg2+完全抑制[56]，這表明MgtE的表達及其活性的降低是同步的。

鑒于Mg2+在細胞內的高濃度(mmol)和其在RNA折疊和結構中的作用，核糖開關理論上應該能夠響應Mg2+的功能。然而最近的研究結果表明核糖開關也可以感知Mn2+。例如，種內保守的yybP-ykoY家族核糖開關(以枯草芽孢桿菌中的相關基因命名)可以選擇性地響應Mn2+[34,35](圖2C)，但相應的靈敏度比Mg2+低了幾個數量級。對乳酸鏈球菌(Lactococcuslactis)中Mn2+傳感核糖體開關的結構研究表明，Mn2+傳感需要氧配體和氮配體，而氮配體來自于核糖體開關中一個特定方向的腺嘌呤殘基[34]。除此之外還有研究報道了對Ni2+和Co2+(可能還有其他金屬離子)具有選擇性的核糖開關，這進一步突出了基于RNA的金屬傳感系統(tǒng)的通用性[58]。

與金屬調節(jié)蛋白類似，核糖體開關也可以通過監(jiān)測代謝的主要產物來執(zhí)行金屬感應功能。例如金屬元素鈷作為輔因子鈷胺素(維生素B12)的一部分，主要存在于細菌中，而許多酶的活性都需要鈷胺素，如E.coli中的甲硫氨酸合成酶[59,60]。盡管一些金屬調節(jié)元件對過量的Co2+產生的反應是非特異的，即一種非定向、非特異的廣泛被激活的金屬外排途徑，但Co2+的吸收似乎不受該傳感器的調節(jié)[61]。相反，細菌通過監(jiān)測鈷胺素的可用性來調節(jié)它們對Co2+的攝取，這個過程通常是由核苷酸轉換介導的[60]。

3 展望

生物利用金屬離子的獨特性質來完成各種各樣的任務，包括可逆氧化還原、水解反應、有機分子的結構重排以及生物分子、信號分子和催化輔助因子的電子轉移等。事實上，金屬離子在細胞中扮演著重要的角色，這是任何其他有機或無機分子都無法完成的，因此金屬元素對所有細菌都是必不可少的，細菌體內的金屬穩(wěn)態(tài)自然也成為了科學家們關注的重點，但金屬離子穩(wěn)態(tài)是一種微妙的平衡，細菌必須使胞內各種金屬成分充足以確保一些必需酶行使正確功能，同時又要防止金屬過多而對細胞產生毒性。雖然科學家們對此已經研究了幾十年，但直到近幾年才清楚的解析了金屬緩沖、蛋白質伴侶和蛋白質組重塑等在金屬匱乏或短缺的情況下是如何確保關鍵酶有效金屬化的分子機制；儲存甚至封存多余金屬的細胞內位點也剛被發(fā)現(xiàn)；關于不穩(wěn)定金屬池的性質、精確的胞內金屬配額以及環(huán)境因素對細菌本身的金屬需求的影響等關鍵問題仍未得到解答。

除了上面提到的參與維持細菌正常生長的作用以外，微量金屬元素在宿主相互作用中所扮演的角色也是目前比較活躍的研究領域，最近研究金屬螯合在限制細菌生長中的作用(通過宿主蛋白、螯合金屬和從吞噬液泡中釋放的鐵和錳等)[62]和金屬離子中毒[63]方面取得了一定的進展。一個有趣的說法是金屬中毒在寄主病原體相互作用中的重要性首先是由于細菌的Zn2+和Cu+外排缺陷引起的[62]。為了開發(fā)新的、有效的抗菌治療方法，以及更好地了解細菌是如何維持金屬內穩(wěn)態(tài)的，確定宿主發(fā)生金屬隔離和中毒的機制和時間是至關重要的。

盡管細菌胞內金屬離子穩(wěn)態(tài)及相應調控核心元件的許多功能與維穩(wěn)機制已經被發(fā)現(xiàn)，但想要完全清楚地構建特定調控或感應元件所參與的調控網絡機制還需要對調控的具體過程和模式進行更詳細、更透徹的研究。對核心調控元件、核心調控元件家族及類家族蛋白元件調節(jié)網絡的透徹分析理解可以更好地揭示有關細菌甚至其他原核微生物在基本細胞過程中的很多未知問題，也可以為研究其他原核微生物的金屬穩(wěn)態(tài)和環(huán)境適應性的研究提供一定參考。