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这篇综述聚焦多杀性巴氏杆菌（P. multocida）铁摄取机制。详细阐述了其通过转铁蛋白受体（Tf）、血红素受体、铁载体摄取铁的机制，以及铁摄取系统的表达调控机制，为相关药物和疫苗研发提供理论依据。
### 多杀性巴氏杆菌铁摄取机制研究进展
多杀性巴氏杆菌（
P. multocida）是一种革兰氏阴性条件致病菌，能感染多种家畜和人类，引发出血性败血症或感染性肺炎，给养殖业造成巨大经济损失。铁离子对于
P. multocida 在宿主感染过程中的定植、增殖至关重要，其铁摄取系统在宿主 - 病原体相互作用中发挥着关键作用，深入研究该系统的摄取机制意义重大。
铁在细菌中的生物学功能
铁在地球上储量丰富，以Fe3+或Fe2+的形式广泛参与微生物的多种重要生命活动，是细菌代谢和功能实现的必需元素。
- 铁硫簇的功能：铁硫簇在所有生物中普遍存在，具有重要的调节和催化功能。例如，大肠杆菌核酸内切酶 III 借助 [4Fe - 4S] 簇稳定 DNA 结合位点；枯草芽孢杆菌中的 [4Fe - 4S] 簇保护转氨酶，维持其结构和活性，簇被破坏会导致转氨酶失活；根瘤菌铁调节蛋白 A（RirA）依赖完整的 [3Fe - 4S] 簇调控 DNA 转录；大肠杆菌超氧化物反应蛋白的功能和活性则取决于 [2Fe - 2S] 簇。P. multocida 含有这些蛋白的同源物，表明铁硫簇在P. multocida 中可能也发挥着类似作用。
- 血红素的功能：血红素是一种含亚铁离子的卟啉复合物，在动植物和微生物中广泛存在，充足的血红素有利于P. multocida 的生长。血红素作为细菌氧化酶、过氧化物酶等生物合成的辅助因子，调节酶活性，进而影响细菌的有氧呼吸、代谢、生物膜形成、运动以及宿主定植和感染等过程。此外，血红素还能利用铁离子的氧化还原能力，在O2或H2O2存在的条件下，将色氨酸的吲哚 C5 位羟基化，生成 5 - 羟色氨酸。P. multocida 中也存在相关酶，进一步证明了铁对该菌的重要性。
- 铁缺乏对P. multocida 的影响：细菌生长所需的Fe2+理想浓度约为10?6mol/L ，而在宿主环境中，Fe2+浓度远低于该水平，导致铁饥饿现象。在铁限制条件下，P. multocida 的生长受到抑制，细菌荚膜厚度明显减小，毒力显著下降，但脂多糖（LPS）合成增加，有助于细菌更好地黏附宿主。同时，铁限制会影响P. multocida 外膜蛋白的表达，诱导其表达如转铁蛋白受体、血红素受体等铁调节外膜蛋白，以捕获铁离子，抵御铁缺乏带来的负面影响。
多杀性巴氏杆菌转铁蛋白受体摄取铁的机制
转铁蛋白结合蛋白 A（TbpA）作为P. multocida 外膜上的转铁蛋白（Tf）受体，可从宿主含铁的转铁蛋白（holo - Tf）中吸收Fe3+，这一过程主要包括以下三步：
- holo - Tf 与 TbpA 复合物的形成：在缺乏游离铁的情况下，P. multocida 利用外膜上的 TbpA 结合宿主 holo - Tf。Tf 是由宿主肝细胞合成的糖蛋白，能可逆结合Fe3+。TbpA 是一种 TonB 依赖的跨膜受体蛋白，其 C 末端的 β - 桶状结构域特异性识别宿主 holo - Tf，形成跨膜的 holo - Tf - TbpA 复合物。TbpA 的 N 末端塞状结构域中的 TonB 盒发生构象变化，延伸至周质并与细胞质膜上的 TonB 蛋白结合，获取能量，促进Fe3+从 holo - Tf - TbpA 复合物转移到周质。
- Fe3+进入周质：TonB 蛋白通过 N 末端疏水 α - 螺旋结构锚定在P. multocida 的细胞质膜上，并与 ExbB - ExbD 蛋白结合形成 ExbB - ExbD - TonB 复合物。该复合物为细菌外膜物质交换提供能量，介导铁离子等营养物质跨膜转运。ExbB - ExbD 的跨膜结构域形成质子通道，将细胞质膜的质子动力势能传递给 TonB，TonB 通过摆动运动，使 TbpA 的塞状和桶状结构域打开，形成通道，允许Fe3+进入周质。
- Fe3+通过 ABC 转运系统进入细胞质：ABC 转运系统利用 ATP 水解产生的能量，逆浓度梯度将铁离子等底物转运到细胞质中。Fe3+被 TbpA 捕获进入细菌周质后，由 FbpABC（一种 ABC 转运系统）转运至细胞质。在这一过程中，铁结合蛋白 A（FbpA）在周质中以单体形式存在，捕获Fe3+；FbpB 是细胞质膜上的疏水跨膜蛋白，接收 FbpA 传递的Fe3+；FbpC 是位于细菌细胞质膜内侧的亲水 ATP 结合蛋白，与 FbpB 形成二聚体，为Fe3+的转运提供能量。Fe3+进入细胞质后被还原为Fe2+，参与细菌代谢。
多杀性巴氏杆菌血红素受体摄取铁的机制
动物体内大部分铁存储于血红素中，血红素可与球蛋白结合形成血红蛋白（Hb）、肌红蛋白和细胞色素等。P. multocida 通过血红素转运系统从宿主血红蛋白中吸收血红素，运输至细胞质进行分解代谢，获取Fe2+。血红素转运主要有直接运输和间接运输两种方式：
- 直接血红素运输系统：在铁限制条件下，P. multocida 表达 Hb 结合蛋白 A（HgbA）、HgbB、Hb - 血红素结合蛋白受体等血红素受体，这些受体与 TbpA 结构相似，可直接识别宿主 Hb。血红素受体 C 末端的 β - 桶状结构域与宿主 Hb 结合后，N 末端塞状结构域的 TonB 盒发生构象变化，延伸至P. multocida 的周质，与 TonB 的 C 末端结构域结合，在 ExbB - ExbD - TonB 复合物提供的能量作用下，血红素受体的塞状结构域打开，形成血红素运输通道。虽然P. multocida 通过 ABC 转运系统（HmuTUV）将血红素运输到细胞质的过程尚不完全清楚，但鼠疫耶尔森菌的 HmuTUV 已得到较多研究。推测P. multocida 的 HmuTUV 可能具有类似功能，即血红素被运输到周质后，被血红素结合蛋白 HmuT 捕获，传递给细胞质膜上的跨膜蛋白 HmuU，ATP 结合蛋白 HmuV 水解 ATP 为 HmuU 提供能量，将血红素转运到细胞质，随后被血红素分解代谢酶分解，释放出Fe2+供细菌代谢。
- 间接血红素运输系统：间接血红素运输系统由 hemophores 介导，比直接运输系统效率更高。hemophores 是革兰氏阴性菌分泌到细胞外的一类蛋白质，如铜绿假单胞菌、鼠疫耶尔森菌和粘质沙雷氏菌分泌的 HasA、HusA、HxuA 和 HphA 等。这些蛋白质对血红素有高亲和力，能从宿主的 Hb、肌红蛋白和细胞色素中竞争结合血红素，并传递给细菌外膜上的特定血红素受体（不同的 hemophores 对应不同的受体）。在 ExbB - ExbD - TonB 复合物提供的能量作用下，血红素受体的塞状结构域打开，形成通道，将血红素运输到周质，再通过 ABC 转运系统运输到细胞质进行代谢。目前研究发现P. multocida 中存在 HasR，但 HasA 的存在尚不确定，因此该菌是否存在间接血红素运输机制仍需进一步研究。
多杀性巴氏杆菌铁载体摄取铁的机制
铁载体是微生物产生的高亲和力、低分子量金属螯合剂，通常与宿主或环境中的Fe3+结合形成Fe3+ - 铁载体螯合物，也可与钼、锰、钴、镍等其他金属元素形成螯合物。根据化学性质差异，铁载体可分为羟肟酸盐、儿茶酚盐、羧酸盐，还有混合类型。其中，儿茶酚盐铁载体结合铁的能力最强，羧酸盐铁载体最弱。
在铁限制条件下，P. multocida 血清型 A 菌株产生一种名为 multocidin 的羧酸盐铁载体，但其受体蛋白仅鉴定出为 76、84 和 94kDa 的铁相关外膜蛋白，铁载体摄取的详细机制尚不清楚。P. multocida 不能产生羟肟酸盐铁载体，但可吸收铁胺 B 和 E；虽不产生儿茶酚盐铁载体，但能利用这些铁载体的许多代谢中间产物，如二羟基苯甲酸。目前尚不清楚P. multocida 是否产生混合铁载体，不过它可能吸收混合铁载体如根瘤菌素。
铁载体受体 FecA 存在于P. multocida 的外膜上，其结构与 Tf 受体 TbpA、血红素受体 HgbA 相似，由 C 末端 β - 桶状结构域和 N 末端塞状结构域组成。FecA 识别并结合铁载体，在获得 ExbB - ExbD - TonB 复合物提供的能量后，其塞状结构域打开，形成运输途径，将柠檬酸铁运输到周质，再通过铁载体 ABC 转运系统（FecBDE）运输到细胞质。在细胞质中，Fe3+被还原为Fe2+，与铁载体分离供细菌代谢，铁载体则被降解或排出。由于P. multocida 携带的 FecA 与大肠杆菌的相似，推测其 FecA 介导的铁载体运输机制与大肠杆菌类似。
细菌铁摄取调节因子
铁缺乏不利于细菌生长繁殖，而过量摄入Fe2+会引发芬顿反应，产生活性氧和活性氮，导致氨基酸残基氧化、蛋白质和 DNA 损伤，最终致使细菌死亡。因此，细菌必须严格控制铁离子浓度，为此进化出了多种铁相关调节因子，如铁摄取调节蛋白（Fur）等。在P. multocida 中，目前仅鉴定出 Fur，它是维持细菌铁稳态的重要转录调节因子。Fur 的 C 末端有二聚化的金属离子结合结构域，N 末端有 DNA 结合结构域，通过感知细胞内Fe2+水平，抑制或激活铁相关基因的转录。
- Fur 作为转录抑制因子的调节机制：当细菌内Fe2+水平过高时，Fur 可识别并结合 DNA 上的一段保守序列 Fur - box。若 DNA 上的启动子与 Fur - box 位点重叠，Fur 会占据启动子区域，阻止 RNA 聚合酶与 DNA 结合，从而抑制转录。例如，在大肠杆菌中，Fur 的 C 末端与Fe2+结合形成 Fur - Fe2+复合物，促使 Fur 的 N 末端 DNA 结合结构域与大肠杆菌铁载体合成相关基因簇 iucABCD 上的 Fur - box 结合，使 RNA 聚合酶无法结合到 iucABCD 的启动子上，抑制铁载体合成，防止细菌吸收过多铁离子。在P. multocida 中，研究发现其铁相关基因 tbpA、hgbA 和 hgbB 中存在共同的 Fur - box 序列，这些基因的表达受 Fur 抑制，同时 Fur 也负向调节P. multocida 铁载体的合成。
- Fur 作为转录激活因子的调节机制：当 Fur - box 位于转录起始点上游约 - 100bp 处时，Fur 可增强 RNA 聚合酶在 DNA 的 - 10bp 和 - 35bp 区域的聚集，从而激活 DNA 转录。Fur 可促进铁储存相关蛋白细菌铁蛋白（Bfr）的表达，Bfr 能将Fe2+氧化为Fe3+并储存起来，防止细菌受到过量Fe2+的损伤。Bfr 分为无血红素铁蛋白 A（FtnA）和含血红素细菌铁蛋白 B（BfrB）两种类型。以大肠杆菌为例，Fur 与Fe2+形成 Fur - Fe2+复合物，结合到细菌铁蛋白基因 ftnA 上游 - 84bp 处的 Fur - box 上，激活 ftnA 转录，从而储存细胞质中多余的游离铁。P. multocida 中存在表达 FtnA 的同源基因，推测 Fur 在P. multocida 中也可能具有转录激活调节功能。
总结与展望
本文详细阐述了P. multocida 的三种铁摄取机制，为全面理解其铁摄取系统的分子发病机制提供了系统理论基础，也为研发针对P. multocida 的分子靶向药物和亚单位疫苗提供了新思路。然而，目前在该领域仍存在一些问题亟待解决：
- 许多细菌依靠铁载体摄取铁，大肠杆菌和根瘤菌等在铁载体化学结构研究方面已取得显著进展，但P. multocida 的铁载体 multocidin 在化学结构、合成和分泌途径以及外膜受体等方面的研究仍不明确，需要进一步深入研究，同时应加强对P. multocida 铁载体产生途径的探索，开发新型铁载体。
- 由 hemophores 介导的血红素间接运输系统效率高于直接运输系统，但目前对P. multocida 的 hemophores 研究较少，其介导从宿主血红素结合蛋白摄取血红素的详细机制有待进一步探究。
- TbpA、HgbA 和 HgbB 等铁相关外膜受体在不同地区、宿主和P. multocida 菌株血清型中的分布存在显著差异，为有效防控巴氏杆菌病，需深入开展P. multocida 的分子流行病学调查与分析。
- 尽管 Fur 在许多细菌中已得到广泛研究，且发现了更多受其调控的基因，但仍有许多分子机制和调控策略尚未完全阐明。在P. multocida 中，删除 fur 基因对毒力的影响比其他细菌小，这表明该菌可能存在其他尚未被发现的调节因子，需要进一步研究。
目前，细菌铁摄取机制在应用方面的重要方向包括：开发抑制铁载体合成或阻断病原菌铁摄取途径的新型药物靶点；利用合成的铁载体 - 药物偶联物，协助药物进入病原菌细胞，提高对多重耐药菌感染的治疗效果；设计含有单一或多种抗原成分的亚单位疫苗，或合成肽疫苗（多表位疫苗）；以铁相关基因为突破口，构建新型基因缺失减毒疫苗。深入了解P. multocida 从宿主获取铁等营养物质的机制及其调控机制，将有助于巴氏杆菌病的防控。
