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Environment

病原体利用混杂分子获取金属元素

研究者发现,金黄色葡萄球菌能够通过一种最近被发现的蛰合剂葡萄胺来吸收镍、钴、锌、铜和铁。

by Sarah Everts
May 30, 2016 | APPEARED IN VOLUME 94, ISSUE 22

 

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Credit: Frank DeLeo/美国国家过敏和传染性疾病研究所
金黄色葡萄球菌(在图中以黄色表示)利用小分子葡萄胺从环境中提取金属。金黄色葡萄球菌细胞直径通常在 0.5–1 µm。
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Credit: Frank DeLeo/美国国家过敏和传染性疾病研究所
金黄色葡萄球菌(在图中以黄色表示)利用小分子葡萄胺从环境中提取金属。金黄色葡萄球菌细胞直径通常在 0.5–1 µm。

项最新研究显示,当金黄色葡萄球菌这种常见的人类病原体需要补充金属元素来维持其毒性时,会排出一种称为葡萄胺的小分子 (Sciencev2016, DOI: 10.1126/science.aaf1018)。Pascal Arnoux 是法国艾克斯-马赛生物科学与生物技术研究所的这个研究项目的负责人,他说这种化合物的小身形掩盖了其令人惊叹的能力:葡萄胺能够捕获镍、钴、锌、铜、铁等元素,是一种极其优良的金属载体。一旦这种分子金属诱饵从环境中或从宿主身上俘获到它的“货物”时,金黄色葡萄球菌就会将葡萄胺及其运载的金属收回来。

“绝大部分病原体能利用小分子来蛰合铁元素,但能够帮助病原体在宿主中获取金属元素的广谱金属载体,这种概念非常有趣。以前有人讨论过这个概念,但从未得到证实。”范德堡大学研究细菌金属输运的学者 Eric Skaar 评论道。

“许多采用动物感染模型的研究都表明,病原体获取金属养分的能力能够赋予其毒性”,麻省理工学院生化学家 Elizabeth Nolan 在评论中写道(Science 2016, DOI: 10.1126/science.aaf8755)。

过去曾有研究将控制葡萄胺输出的细胞机制所对应的基因与金黄色葡萄球菌的病毒性和生长联系起来 — 那时还远远没有发现这些基因与葡萄胺的联系。Arnoux 补充道,了解到它们同病毒性的关系后,研究者们可以考虑针对运输葡萄胺的蛋白质来设计新的抗生素,使病原体无法获取生存所需要的金属。

Arnoux 的团队还发现了金黄色葡萄球菌制造葡萄胺时所用的生物合成路径。这种细菌利用三种酶,从赖氨酸合成金属蛰合剂,这些酶也可以考虑作为新型抗生素的靶点。

葡萄胺蛋白质“能够成为很好的抗生素靶点,但这种策略还存在很多的不确定性”,Skaar 警告道。例如,他说研究者们需要确认,生物合成和输出蛋白的变异是否真的能抑制动物模型中的病原体生长和病毒性。研究者们还应该证实葡萄胺在臭名昭著的超级细菌 MRSA(甲氧西林耐受金黄色葡萄球菌)中也具有类似作用。

金黄色葡萄球菌可能并不是唯一利用葡萄胺类金属蛰合剂的人类致病原。Arnoux 的团队还在其他两种主要人类致病原中发现了产生和输出葡萄胺的同源基因:鼠疫杆菌,造成鼠疫的罪魁祸首;以及绿脓杆菌,一种感染囊包性纤维症患者肺部的细菌。但大多数细菌和古生菌基因组中并不存在混杂性金属吸收机制,Arnoux 说道。这可能反而有利,他补充说,因为以该机制为靶向的药物可能不会对患者的健康菌群产生很大的影响。

奇怪的是,葡萄胺的结构与烟草胺十分类似,烟草胺是一种植物中的广谱金属蛰合剂。这种相似的结构显然是一种古老的金属吸收架构,Arnoux 说道。然而,他仍在试图弄清这种金属混杂蛰合机制是由植物和细菌分别独立演化而来,还是由植物通过基因转移从细菌那里偷学而来的。

 

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