文 |香中别有韵
编辑 |香中别有韵
引言
毛滴虫是一类原核生物，其菌落通常生长在宿主细胞表面，并通过从宿主细胞中获取营养来生存，本文研究的目的是利用蛋白质组学技术，揭示毛滴虫菌落获取营养铁的机理及其可能存在的异质性。
研究表明，毛滴虫菌落获取营养铁的机理存在明显的异质性，不同毛滴虫菌株在获取铁元素的途径和相关蛋白质表达上存在显著差异，一些毛滴虫菌株表现出高度适应性，通过调节特定的铁载体蛋白质的表达，有效地从宿主细胞中获取铁元素，而另一些毛滴虫菌株则依赖于不同的铁载体蛋白质，或者表现出较低的铁元素获取效率。
实验用菌落的检查
为了确定这些毛滴虫的天然菌落是否捕获了富含铁的矿物颗粒，我们对代表性菌落进行了基于同步加速器的微X射线荧光元素映射，与观察到的颗粒关联，毛滴虫 - 颗粒关联的先前证据主要基于实验性地将灰尘“喂入”培养或捕获的菌落。
因此建立这些特定的毛滴虫 - 颗粒关系非常重要，这种关系在自然界中发展，我们检查了一个簇状和两个泡芙型菌落，所有这些菌落都有与之相关的颗粒，元素图与以下假设一致，即存在富含铁，铜，锌，钛/钡，锰和钴的矿物颗粒。
尽管浓度接近后两种元素的检测颗粒中的铁浓度特别高，在六个颗粒上收集了铁的微X射线吸收近边缘结构光谱 - 两个粉扑各三个，颗粒中含有矿物质结合的铁，平均氧化态为2.6、2.7，两种氧化态为2.9，两种氧化态为3.0。
虽然这些颗粒的矿物学不能使用μ-XANES明确解决，但吸收边缘和后边缘区域的结构提供了对广泛矿物组的洞察，铁氧化物和与硅酸铁一致的混合价含铁矿物均存在，表明矿物特性不均质。
虽然我们无法肯定地鉴定基于XANES的硅酸盐矿物相，但一些样品与铁蒙脱石的光谱相似性和地质环境表明存在含铁粘土，在这个地理区域，氧化铁和粘土可能来自大气尘埃沉积，这在该地区很常见。
这些与菌落相关的矿物颗粒可能同时作为菌落的营养和有毒金属的来源，颗粒的元素组成类似于最近对南大西洋毛滴虫颗粒关联的表征，金属从颗粒中释放的可能随时间而变化，铜、镍、锌和钴最初不断浸出，铁浸出，然后重新吸附回颗粒上，除非有机螯合物有助于溶解。
为了了解颗粒对菌落多样性和功能的影响，我们对单个毛滴虫菌落及其微生物群进行了比较的宏蛋白质组学分析，采用新的单菌落代谢蛋白质组学方法分析了14个无颗粒的喷口，4个有颗粒的喷口和50个带颗粒的簇。
这种方法首次允许单独检查异质毛滴虫菌落的分子谱，与来自该位置的大量群体水平的meta蛋白质组相比，通过整合来自100至4478个菌落的生物量实现了低丰度蛋白质的更高分辨率，低生物量单菌落的蛋白质组覆盖率较低，但足以表征菌落功能。
在487个单集落代谢蛋白质组中总共鉴定出25个毛滴虫蛋白和2944个附生蛋白，而在一式三份的群体水平meta蛋白质组中鉴定出1534个毛滴虫蛋白和3个附生体蛋白，检查系统发育排他性，使得用于鉴定附生蛋白的肽在毛滴虫基因组中不存在。
蛋白反应被利用于铁摄取
最广泛和最强的蛋白质组反应发生在铁相关蛋白质中，与滴虫对铁可用性的强烈依赖一致，当颗粒存在时，几种含铁蛋白质明显更丰富，这表明这些颗粒充当微量营养素来源，这些包括含铁过氧化物酶，电子传递蛋白铁氧还蛋白fdxH和铁储存/DNA结合蛋白Dps-铁蛋白。
这些蛋白质中的每一种的协调反应表明矿物质是铁的营养来源，铁氧还蛋白丰度的增加与铁可用性的增加是一致的，因为在铁应激期间，不含铁的黄酮毒素被铁氧还蛋白取代，同样，增加Dps-铁蛋白的丰度将有助于缓冲和储存从浓缩颗粒金属源获得的铁。
除了结合铁外，Dps-铁蛋白还可用于保护DNA免受光氧化损伤，除了过氧化物酶信号外，这可能表明带有颗粒的菌落中的氧化应激增加，在矿物颗粒存在的情况下，Dps-铁蛋白丰度的明显增加与先前的报道不同。
后者发现，当培养的红痘杆菌喂食撒哈拉沙漠尘埃时，细菌铁蛋白转录物丰度没有变化，Dps-铁蛋白和细菌铁蛋白可能对不同的细胞条件作出反应，例如Dps-铁蛋白可能因其铁储存和保护氧化应激的双重功能而受到这些菌落的青睐。
这种差异凸显了比较实验室和现场研究的潜在挑战，以及转录后和翻译后对照在滴虫中经常提出的重要性，鉴于氮酶金属酶的高铁需求量，从丰富但偶尔可用的矿物颗粒中储存铁的能力可以在铁稀缺且溶解度低的海洋环境中提供重要的生态位。
从矿物颗粒中获取铁涉及多种摄取机制，虽然滴虫中的铁获取尚未得到很好的表征，但已知基因组中至少存在三个系统：FeoB系统，IdiA系统和通过铁铁载体摄取，单菌落元蛋白质组为后两种机制在自然环境中的部署提供了证据。
FeoB在重氮激素的现场代谢蛋白质组中很少被鉴定出来，可能是由于其拷贝数低和效率高，尽管有证据表明颗粒为菌落提供了铁，但在颗粒缔合期间，周质铁转运蛋白IdiA更丰富，IdiA通常被用作铁胁迫的生物标志物。
因为它在低铁条件下对铁有反应/更丰富，增加的IdiA丰度令人困惑，因为它表明颗粒相关菌落的铁限制更大，上述铁储存和利用蛋白的增加不支持这一结论，一种解释是，IdiA的作用是从矿物颗粒中获取铁，由于其对Fe的结合偏好，这可能包括从配体结合的Fe状态的摄取，这可能有助于颗粒溶解。
通过这种方式，IdiA可能对颗粒与溶解铁具有不同的功能响应，还有证据表明，由细菌附生体合成的铁结合铁载体系统参与其中：一种被认为参与铁载体生产的厚壁菌酰基载体蛋白在泡芙中富含颗粒。
毛滴虫似乎不产生铁载体，但它可以通过与附生体的相互作用获得铁载体结合的铁，特别是当提供浓缩粉尘时， 证实这一点的是，仅在含颗粒的膨化物中鉴定出一种用于铁磷脂/大肠杆菌素的三滴虫TonB依赖性转运蛋白。
毛滴虫菌夹带微粒铁
之前的一项研究捕捉到了令人印象深刻的视觉观察，即毛滴虫对尘埃的反应，其中实验提供的颗粒被捕获并运送到菌落中心，这种行为主要在从田间分离的膨化型菌落中观察到，这表明这些自然种群对尘埃的反应可能与实验室毛滴虫菌株不同，与先前的研究一致，矿物颗粒集中在膨化型菌落的中心。
这可以通过减少弥散损失来提高细胞外铁还原途径的效率，这项研究的蛋白质组学表征为这种行为提供了分子洞察力，在这里，我们观察到，当存在颗粒时，包括SwmA样RTX蛋白和趋化性调节剂CheY在内的运动蛋白富集，在先前发表的野外毛滴虫群体的大量元蛋白质组中，观察到CheY蛋白与铁转运蛋白IdiA之间存在关系。
表明趋化性和颗粒铁获取之间存在联系，虽然关于该系统如何运作还有更多需要了解，但趋化性和铁调节系统似乎是相互连接的，并直接响应微粒铁。
综上所述，原位生化观察指向一个模型，其中毛滴虫菌落区分溶解铁和颗粒铁，与颗粒的矿物学特征一致，菌落参与多种铁摄取机制，并在提高生产力和铁吸收期间优先考虑平衡细胞氧化还原状态，一旦进入细胞，矿物质衍生的铁优先通过Dps-铁蛋白储存。
这一发现增加了规范调控模型的复杂性，即IdiA和铁蛋白存在于一个连续统一体中，IdiA在铁限制期间丰盛，而铁蛋白仅在铁充满时才存在，这表明毛滴虫会根据铁的配位环境，特别是颗粒与溶解相的结合，改变吸收和利用机制，毛滴虫是通过特定的矿物传感机制直接区分，还是间接由于细胞内金属浓度增加而进行区分尚不清楚。
相对于其他浮游植物，毛滴虫具有异常多的未表征的双组分感觉系统，并且可能涉及其中一个或多个系统，这将进一步暗示金属结合配体的参与，无论哪种方式，很明显，多种代谢和体内平衡系统参与了对颗粒铁存在的协调反应，并且似乎确实可能涉及铁特异性调节过程。
因为在实验室研究中，滴虫能够区分含铁颗粒物和非含铁颗粒物，颗粒相关毛滴虫菌落的最后一个有趣的方面是Cu相关蛋白质的部署，已知毛滴虫对铜毒性异常敏感，并且与矿物颗粒的密切接近与铜伴侣/稳态蛋白CopZ的富集有关，表明当矿物质存在时需要进行金属解毒。
结论
研究结果表明，毛滴虫菌落在不同条件下通过调节特定代谢途径和蛋白质表达来适应铁元素获取的需求，这些代谢调节可能与毛滴虫菌落的适应性进化密切相关，毛滴虫菌落通过不同的策略和途径来获取铁元素，从而适应不同环境条件下的营养需求。
参考文献：
内内尔·里达德，《毛滴虫，一种全球重要的海洋蓝藻》
富内德·比内，《全息毛滴虫内的微生物多样性》
努布雷姆·达克奥克，《蓝藻毛滴虫上细菌附生体的表征》