【LorMe课堂】东太平洋铁载体的前世今生
作者：安祥瑞，南京农业大学硕士在读。
创新没有捷径，如果有，那就是阅读高质量文献。LorMe课堂主要展示研究生课程文献研讨环节的作业！本期LorMe课堂继续为您介绍铁载体——东太平洋铁载体的前世今生。
导读
海洋细菌在低铁环境条件下会分泌铁载体, 迄今为止, 只有少数类型海洋微生物铁载体的完整结构被人们所知, 它们大都来自于海水中一些独特的细菌。已知只有在低浓度可利用铁的环境下, 海洋微生物体才会分泌铁载体, 但是铁浓度低时铁载体的产生情况现在还不知道, 铁载体的产生在不同的海洋系统(如大洋、上升流、海岸)发挥的重要性也就无法得到了解。因此作者通过这篇文章探讨海洋微生物铁载体在不同铁浓度的产生情况及变化趋势以及产生铁载体的微生物群落系统发育多样性。
在东部热带和亚热带南太平洋海洋地区，从靠岸向西，分别形成由强风驱动的上升流提供高营养物浓度区、高营养低叶绿素区（HNLC）、寡营养区。这些铁、营养物质和微生物群落的自然梯度为研究微生物对铁有效性利用的情况提供了一个理想的环境。
图1 （A）巡航轨道地图。 所收集地表海水样品：海岸，（[d Fe]> 0.2 n M，样品1）； 高营养低叶绿素区（[d Fe] <0.2 n M，[NO3 - ]>5μM，样品2）； 寡营养区（[NO3-] <5μM，样品3-6）区域。 交替的黑线和白线代表从中收集复合样品的六个采样间隔。（B和C）硝酸盐和d Fe的浓度。（D和E）基于色素分析的浮游植物群落组成。
随后，作者使用痕量金属的反相液相色谱-电感耦合等离子体质谱(LC-ICPMS)和电喷雾电离质谱(LC-ESIMS)与金属同位素模式检测算法相结合，获得的铁载体样品并进行进一步推测分离纯化产物的结构。
图2.（A）从沿海，HNLC和寡营养表面海洋采集的样品的代表性LC-ICPMS色谱图。 橙色线表示与天然存在的铁结合的配体，而蓝线表示在添加过量铁以饱和未复合的配体后的总配体。（B）亲水性铁载体和两亲性铁载体的结构。（C和D）亲水性铁载体（在18和28分钟之间洗脱）和两亲性铁载体（在35和55分钟之间洗脱）的浓度。
作者发现洗脱时间为22.9min时的化合物洗脱为亲水性铁载体，洗脱时间在35~ 50min之间多为两亲性含铁蛋白，两亲性铁载体由肽头基团和脂肪酸侧链可变组成。在HNLC样品中，铁载体成分发生了显著变化。亲水性铁载体较少，而两亲性的铁载体(两亲性和类两亲性铁载体)和总含铁量是前者的5倍，此时dFe浓度为0.05-0.12nM，而在低营养区域，两亲性铁载体浓度进一步下降，亲水性铁载体回归。在HNLC和寡营养样品中，dFe比总铁载体浓度(3-9pM)高，所以大部分无铁铁载体显著存在。
亲水性铁载体
已知亲水性铁载体生物合成基因（DesA-D）存在于许多不同的微生物类群中。使用这些基因作为查询序列，在TaraOceans宏基因组目录中搜索DesA-D同源物，产生了许多具有>50％氨基酸同一性的序列，但这些Tara基因中很少有与查询序列紧密匹配（>90％同一性），因而，评估更远的同源物是否具有相同的功能仍然是一个挑战。因此，没有进一步追求Ferrioxamine这些生物合成基因。
两亲性铁载体
在已知产生两亲性铁载体的Vibr（弧菌）中发现合成该铁载体的酶NRPS由ABO-2093、ABO-2092组成 (ABO-2093、ABO-2092具有特定结构域，sio中被预测)，在GenBank 找到可表达这对酶同源物，并在许多海洋菌中找到并置的ABO_2092和ABO_2093的相似序列，通过计算机预测算法验证了它们可表达出合成两亲性铁载体的酶，缺铁条件下培养这些海洋菌株中的5种，通过LC-ESIMS确认了两亲性铁载体的产生（再次验证）。用弧菌中的NRPS合成基因鉴定TaraOceans 宏基因组目录中同源基因，筛选产生两亲性铁载 体的酶的基因，在TaraOceans 基因目录（OM-RGC）中找到三个基因，预测了所有三个腺苷酸。
图3.（A）来自培养生物（Gen Bank）和Tara OM-RGC（20）的两亲性铁载体非核糖体肽合成酶基因的系统发育树。 显示了通过计算机预测（22）检测的腺苷酸化结构域。比例尺表示每个位点0.1个取代。 （B）OM-RGC内两亲性铁载体NRPS基因覆盖率> 1倍的地理位置。
分析样本中ABO_2092和ABO_2093基因的存在及亲缘关系图可得，三个基因(OM-RGC.v.1.000002136、000002106、以及000002128)预测了所有三个腺苷酸化结构域，而其他似乎是具有三个结构域中的一个或两个的不完整组装体。但这些不完整的基因也可能是其他结构上类似于两亲性铁载体的含N5-酰基N5-羟基鸟氨酸的铁载体的生物合成途径的一部分。同时因为用来检测两亲性铁载体蛋白基因的标准相对保守，它们在其他地方的缺失并不一定意味着没有产生两亲性铁载体基因的微生物。其他影响因素可能是每个元基因组测序深度的限制，以及图3A中没有表示的其他两亲性铁载体蛋白NRPS序列的可能存在。两种两亲性铁载体蛋白NRPS生物合成基因在东热带南太平洋的样品中同时出现(图3B)，与我们研究中测定两亲性铁载体蛋白的位点非常接近。
食烷菌物种与弧菌的关系比与亚硝化球菌的关系更密切食烷菌属（Alcanivoraxborkumensis）和亚硝化球菌属（Nitrosococcushalophilus）的两亲性铁载体NRPS生物合成基因彼此更相似（图3A），表明基因转移事件。通过水平基因转移获得生物合成基因簇可能是某些微生物可以适应贫铁HNLC区域的一种机制，即一些微生物可能获得产生铁载体和摄取其他微生物产生的铁载体的能力。
由于海洋微生物铁利用机制的复杂性,铁载体在铁利用机制方面的具体作用还不清楚,尤其是有关分子基因水平研究上的内容还很缺乏。
根据提取到的铁载体分析具体确定哪些海洋微生物可以产生仍然是一个挑战，可能不仅限于一个单独的分类群。
参考文献: Siderophore-based microbial adaptations to iron scarcity across the eastern Pacific Ocean
期刊: Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1608594113
作者: Boiteau et al.