蓝细菌TonB-ExbB-ExbD依赖的铁吸收机制研究

Cyanobacteria are a group of prokaryotic organisms which perform oxygen-evolution photosynthesis. They are globally important primary producers and have high iron requirement, but in which way they dominate in iron-limiting oceans is poorly understood. Our recent studies found that ExbB-ExbD complexes play essential roles in the uptake of inorganic, free iron in cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. TonB-ExbB-ExbD system has been investigated for many years in non-photosynthetic bacteria, but its substrates are exclusively organic compounds. Here we show that cyanobacteria utilize this system to take up soluble inorganic iron species, which is probably an important strategy for cyanobacteria to acclimate to iron-limiting oceans. However, TonBs, outer membrane receptors, and molecular mechanisms of free iron uptake are still unclear. Hence, this project plans to identify TonB proteins and its outer membrane receptors in Synechocystis sp. PCC 6803 and to illuminate their iron-uptake molecular mechanisms by the methods of gene knockout and complementation, protein location and protein-protein interaction, protein structural analysis, trace metal clean technique, and isotopic tracer method, etc.. Finally, the information derived from these studies will illustrate a working model of the special iron uptake pathway in cyanobacteria.

蓝细菌（又称蓝藻）是一类原核的光合放氧生物，对全球初级生产力具有重要贡献。作为光合生物，蓝细菌具有很高的铁需求，却广泛分布于缺铁的海洋和淡水环境中，其高效的铁吸收机制备受人们关注。申请人前期研究发现，模式蓝细菌--集胞藻PCC6803利用不同于其它革兰氏阴性菌的TonB-ExbB-ExbD系统（主要负责有机螯合铁的吸收），高效吸收水体中浓度很低的无机自由铁，这很可能是其适应缺铁环境的重要机制。目前该系统中仅ExbB-ExbD已被鉴定，TonB蛋白、外膜受体蛋白及其高效转运无机自由铁的分子机制有待深入研究。本项目拟在前期基础上，通过基因敲除与互补、蛋白定位与相互作用、蛋白结构解析、微量元素洁净分析技术及同位素示踪等手段，鉴定集胞藻PCC6803中的TonB及外膜受体蛋白，阐明其高效结合无机自由铁的结构特征和分子机制，旨在从基础研究的角度揭示蓝细菌特殊的铁吸收机制。

蓝细菌（又称蓝藻），是海洋初级生产力的重要贡献者，通过光合作用、固氮作用为海洋提供新的有机碳源和氮源。但是蓝细菌的总生物量以及其贡献的全球初级生产力受到海洋铁浓度的限制，在很多海域，铁的可利用性很大程度上决定了该水体蓝细菌的生物量及其初级生产力。蓝细菌如何适应并分布于缺铁的海洋水体中，具体的铁获取策略和机制并不清楚，同时蓝细菌铁吸收机制与其分布规律以及环境适应性之间的相关性也有待揭示。本项目在前期研究基础上，通过大量突变株筛选和鉴定，发现并系统地阐明了蓝细菌利用TonB依赖的外膜转运系统，高效地吸收环境中的无机自由铁、以及铁载体螯合态铁。鉴定了这套系统的四个外膜铁转运蛋白，发现全部敲除这四个铁转运蛋白会导致细胞完全丧失铁载体转运能力，同时无机自由铁的转运速率下降58%。首次证明了蓝细菌可以利用铁载体转运途径吸收环境中的无机自由铁，丰富了人们对蓝细菌铁代谢的认识，揭示了蓝细菌广泛分布于缺铁海域的内在原因。同时，从生态学上阐明了具有该主动吸收途径的蓝细菌主要分布于铁环境多变的海洋近岸带和淡水水体中，揭示了该机制在海洋和淡水蓝细菌种类中的分布规律以及生态学意义，证明了这种需要能量的主动吸收系统在缺铁时上调表达，以高效的捕获并储存铁，从而适应铁浓度多变的环境。此外，我们还发现蓝细菌除了利用这种耗能的主动吸收系统之外，它们还可以利用被动扩散获得铁。实验数据表明，敲除主动吸收系统，细胞仍可以利用孔蛋白介导的被动扩散获得无机自由铁，揭示了蓝细菌可以仅仅利用被动扩散在铁环境稳定的海域生存，以维持其较小的细胞体积和较低的生物量。本项目较系统地揭示了蓝细菌从环境中获得无机自由铁的方式、策略及其对蓝细菌适应海洋缺铁环境的生态学意义，从理论基础上解释了蓝细菌统治性的分布于各种铁环境匮乏水体的内在原因，为认识地球元素化学循环以及全球生态系统的运行规律提供了理论依据。