铜绿假单胞菌的膜组氨酸激酶BqsS/CarS能够直接感知环境中的亚铁离子（Fe2+）

《Journal of Biological Chemistry》：The Pseudomonas aeruginosa Membrane Histidine Kinase BqsS/CarS Directly Senses Environmental Ferrous Iron (Fe2+)

Fe2+结合与信号传导机制研究：解析PaBqsS的结构与功能。通过生化分析和X射线吸收光谱，发现PaBqsS在二聚体界面通过ExxE motif的Glu48形成八面体配位，Fe2+结合显著激活ATP酶活性。突变分析表明Glu45和Asn49在维持配位结构和信号传导中起关键作用。研究为靶向BqsRS系统治疗铜绿假单胞菌感染提供结构基础。

　　本研究聚焦于一种在病原体中发挥重要作用的双组分信号转导系统（Two-Component Signal Transduction System, TCS）——BqsRS/CarRS系统，该系统最初在铜绿假单胞菌（*Pseudomonas aeruginosa*）中被发现。该系统主要调控生物膜的形成与分解，同时也影响抗生素耐药性相关基因的表达。尽管之前的转录组学数据表明，该系统的配体可能是二价铁离子（Fe2?），但目前尚未在蛋白层面直接验证Fe2?与BqsS之间的相互作用，也没有明确其金属感应机制。本研究通过生物化学和生物物理方法，首次系统性地揭示了BqsS与Fe2?的结合特性及其对信号转导的影响，为开发针对该系统的治疗策略提供了理论基础。

铜绿假单胞菌是一种常见的条件致病菌，能够适应多种环境条件并形成复杂的生物膜结构，这使其成为医院感染的重要病原体，尤其是在患有肺炎、中性粒细胞减少症和囊性纤维化的患者中。这种细菌能够通过其多种毒力因子在宿主中成功定植和传播，其中铁离子在这一过程中扮演了关键角色。铁不仅是细菌正常代谢所必需的微量元素，还可能通过其在生物膜形成、抗生素抗性及细胞应激反应中的作用，成为影响其致病性的关键因素。然而，铁离子在宿主体内往往受到限制，而铜绿假单胞菌能够利用其金属感应系统，感知并响应外界铁离子浓度的变化，从而调整自身的代谢和毒力表达。

BqsRS系统由两个主要组分构成：膜结合的His激酶（His Kinase, HK）BqsS和胞内DNA结合的响应调节因子（Response Regulator, RR）BqsR。HK负责感知外界信号并启动磷酸化反应，而RR则将磷酸基团传递至目标基因，从而调控其表达。在这一过程中，Fe2?被认为是一个重要的刺激物，但其具体的结合机制和对信号转导的影响仍不清楚。因此，本研究的重点在于解析BqsS的金属结合特性，以及其如何通过Fe2?的感应影响信号传递。

通过生物信息学分析、蛋白质建模、金属结合分析、定点诱变和X射线吸收光谱（XAS）等方法，研究者发现BqsS在胞外区域（periplasmic domain）中存在一个由6个氮氧配体组成的八面体配位结构，其中谷氨酸（Glu）48是Fe2?结合的关键配体。而谷氨酸45和天冬酰胺（Asn）49则可能在维持Fe2?的配位几何结构中起到辅助作用。这一发现表明，BqsS不仅能够识别Fe2?，还能够通过其配位环境的变化传递信号，从而激活其ATP酶活性。此外，研究还发现，Fe2?的结合能够显著提高BqsS的ATP酶活性，而其他金属离子如Ca2?、Fe3?等则无法产生类似效果，进一步证明了Fe2?的特异性作用。

研究还探讨了BqsS的结构特性及其功能的分子机制。通过克隆、表达和纯化完整的BqsS蛋白，研究者确认其具有稳定的二聚体结构，并且其ATP酶活性在Fe2?存在下显著增强。而当某些关键位点被突变后，如Glu48被替换为丙氨酸（E48A），则导致Fe2?无法有效激活ATP酶活性，表明该位点在Fe2?感应和信号转导中起决定性作用。相比之下，Glu45和Asn49的突变并未显著影响Fe2?的结合，但可能在维持正确的配位几何结构中起到重要作用。这些发现不仅揭示了BqsS的金属结合机制，还为理解其在生物膜形成和抗生素抗性中的作用提供了新的视角。

此外，研究还发现，Fe2?的结合能够显著改变BqsS的结构，进而影响其ATP酶活性。这一现象表明，Fe2?不仅是BqsS的配体，还可能通过其结合引发结构变化，从而激活下游的信号转导通路。研究者进一步通过酶活性实验，验证了Fe2?对BqsS功能的影响，发现Fe2?的结合能够显著提升ATP酶的活性，而其他金属离子则无法产生类似效果。这说明BqsS对Fe2?具有高度特异性，其信号转导机制可能与其他金属感应系统存在差异。

本研究的意义不仅在于揭示了BqsS的金属感应机制，还在于其对潜在治疗策略的启示。由于BqsS在调控生物膜形成和抗生素抗性方面起着关键作用，因此开发针对该系统的药物可能有助于抑制铜绿假单胞菌的毒力，从而提高感染治疗的效果。例如，设计能够特异性结合Glu48的合成化合物，可能通过激活BqsS并促进生物膜的分解，使病原体更容易受到抗生素的作用。相反，针对Asn49的抑制剂可能有助于阻断信号转导，从而减少生物膜的形成和维持，进而降低其致病能力。

研究还探讨了BqsRS系统在其他病原菌中的可能功能。尽管BqsRS最初在铜绿假单胞菌中被发现，但类似的系统可能在其他细菌中也存在，如*Vibrio cholerae*和*Enterobacter cloacae*。这些细菌同样依赖金属感应系统来适应宿主环境，并调控其毒力因子的表达。因此，理解BqsRS系统的结构和功能不仅有助于开发针对铜绿假单胞菌的治疗策略，还可能为其他病原菌的金属感应系统提供研究范式。

在方法学上，本研究采用了多种先进的生物化学和生物物理技术，以确保实验的准确性和可靠性。例如，研究者利用了X射线吸收光谱（XAS）技术，该技术能够提供关于金属配位环境的详细信息，包括配位数、配位几何结构以及配体类型。通过XAS分析，研究者确认了Fe2?在BqsS中的配位环境，并进一步利用定点诱变实验验证了关键氨基酸残基的作用。此外，研究者还通过大小排阻色谱（SEC）和质量光度分析（Mass Photometry）等方法，研究了BqsS的纯度和构象变化，确保实验结果的准确性。

本研究的发现对于理解细菌如何通过金属感应系统调控其代谢和毒力具有重要意义。金属离子不仅是细菌生存所必需的营养元素，同时也是其致病性的重要调控因子。通过研究BqsRS系统的金属感应机制，科学家们能够更深入地了解细菌如何适应宿主环境并增强其生存能力。这不仅有助于揭示细菌的适应性策略，还可能为开发新的抗菌药物提供新的思路。

此外，本研究还为未来的结构生物学研究提供了方向。由于完整的膜结合His激酶（HK）在实验中较为难以获得，研究者通过优化表达和纯化条件，成功分离并纯化了完整的BqsS蛋白，并确认其具有稳定的二聚体结构。这些结果表明，研究完整的膜蛋白及其金属结合特性是可行的，并且可能为其他类似的金属感应系统提供研究模板。同时，研究者还提出了进一步研究的方向，包括对其他金属感应系统的结构分析，以及对BqsS与下游响应调节因子（RR）之间相互作用的深入研究。

总之，本研究通过系统的实验设计和先进的技术手段，揭示了BqsRS系统中BqsS的金属感应机制及其对信号转导的影响。这些发现不仅深化了我们对细菌如何利用金属离子调控其代谢和毒力的理解，还为开发针对铜绿假单胞菌的新型治疗策略提供了理论依据。未来的研究可以进一步探索这些金属感应系统的功能多样性，以及其在不同病原菌中的潜在应用价值。