鐵在微生物的生長和代謝中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但其過量會引發(fā)自由基損傷，威脅細(xì)胞生存。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，微生物通過鐵蛋白家族的成員精確調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鐵的濃度，避免鐵引發(fā)的氧化應(yīng)激。鐵儲存蛋白（Bfr）作為細(xì)菌中重要的鐵調(diào)節(jié)分子，能夠以同源（homo-Bfr）或異源（hetero-Bfr）二十四聚體形式存在。雖然同源鐵蛋白的結(jié)構(gòu)和功能已有大量研究，但異二聚體鐵蛋白的研究卻相對較少。該研究通過冷凍電鏡技術(shù)解析了Shewanella oneidensis的異源二十四聚體細(xì)菌儲鐵鐵蛋白（SoBfr12）的結(jié)構(gòu)，揭示了其與同源細(xì)菌儲鐵蛋白在鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的獨(dú)特進(jìn)化適應(yīng)性。
2025年4月1日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高海春教授團(tuán)隊，在Advanced Science期刊在線發(fā)表了題為“Unveiling Structural Heterogeneity and Evolutionary Adaptations of Heteromultimeric Bacterioferritin Nanocages”的研究論文。通過冷凍電鏡技術(shù)，該研究首次揭示了S. oneidensis的異源細(xì)菌儲鐵鐵蛋白（SoBfr12）的結(jié)構(gòu)，并對比其與同源細(xì)菌儲鐵蛋白的差異，發(fā)現(xiàn)hetero-Bfr的離子進(jìn)出孔道、鐵催化氧化中心活性以及血紅素結(jié)合位點(diǎn)與homo-Bfr有顯著差異，這些結(jié)構(gòu)差異為鐵的氧化、礦化和還原提供了特化的功能。同時，進(jìn)化分析進(jìn)一步揭示了hetero-Bfr的進(jìn)化路徑。
盡管homo-Bfr已被深入研究，但hetero-Bfr作為一種由兩個不同亞單位組成的鐵儲存納米籠，其結(jié)構(gòu)和功能至今尚未得到充分研究。該研究以S. oneidensis的異源二十四聚體細(xì)菌儲鐵蛋白SoBfr12作為hetero-Bfr代表研究對象，通過冷凍電鏡技術(shù)解析得到了分辨率2.6 ?的SoBfr12結(jié)構(gòu)。SoBfr12雖然與homo-Bfr擁有相似的球形結(jié)構(gòu)，但由于組成亞基種類的不同，其孔道亞型表現(xiàn)出更多的變異。例如，B孔、4倍孔和3倍孔的亞型數(shù)量遠(yuǎn)多于homo-Bfr，這可能使得Fe2+等離子更傾向于通過某些特定的孔道進(jìn)入納米籠。這種差異化的孔道配置可能有助于優(yōu)化鐵的吸收和釋放。此外，與homo-Bfr相比，hetero-Bfr的兩種不同亞基功能分工明確，使其在鐵的儲存與釋放過程中能夠進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)控。
在對細(xì)菌儲鐵蛋白的進(jìn)化分析，研究者提出了TD型和DSD型hetero-Bfr進(jìn)化的可能路徑。TD型hetero-Bfr可能來源于homo-Bfr的串聯(lián)重復(fù)，而DSD型則可能起源于鐵蛋白基因的分散重復(fù)。此外，在S. oneidensis中，homo-Bfr與hetero-Bfr的亞基能夠共同組裝成功能性的納米籠，表現(xiàn)出高度的適應(yīng)性和可塑性，這也為鐵蛋白家族成員之間的功能互補(bǔ)提供了新的視角。
浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高海春教授和陳景華研究員為論文的通訊作者，高海春教授課題組博士生李盈曦為論文的第一作者，博士生王衛(wèi)衛(wèi)、王偉參與了部分研究。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院張興教授參與了該研究工作。該工作得到國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
來源：浙江大學(xué)
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