Pirin蛋白通过产生活性氧调控链霉菌β-氧化和抗氧化系统的分子机制研究

研究人员针对链霉菌中Pirin蛋白(PirA)的调控机制开展研究，发现其作为氧化还原敏感调节因子，通过抑制vLCAD(AcdB)活性减少H2O2生成，同时与转录抑制因子CatR互作产生羟基自由基(OH•)激活抗氧化系统。该研究揭示了Pirin家族蛋白在代谢调控与氧化应激响应中的双重功能，为理解微生物环境适应性提供新视角。

　　

在微生物应对环境压力的复杂调控网络中，氧化还原平衡的维持是关乎生存的核心问题。链霉菌作为重要的抗生素产生菌，其代谢过程伴随大量活性氧(ROS)的产生，尤其是β-氧化途径中极长链酰基辅酶A脱氢酶(vLCAD)催化的第一步反应会生成过氧化氢(H₂O₂)。然而，微生物如何协调代谢通量与抗氧化防御的机制尚不明确。意大利萨兰托大学(University of Salento)的研究团队在《Microbiological Research》发表的研究，揭示了Pirin家族蛋白PirA通过双重分子机制调控这一平衡：既作为vLCAD的负调节因子减少H₂O₂产生，又通过产生活性氧激活抗氧化系统。

研究采用系统发育分析、基因敲除菌株构建、酶活测定、蛋白质互作检测等技术。通过比较基因组学解析Pirin蛋白的进化特征；利用荧光探针DCFH-DA检测细胞内H₂O₂水平；通过体外重组蛋白实验证实PirA与CatR的相互作用；结合AlphaFold3预测蛋白复合物结构。

【Pirin-like蛋白在 prokaryotic 和 non-prokaryotic taxa中的分布】

系统发育分析将Pirin家族分为三大类群，发现其严格存在于好氧生物中。链霉菌PirA与硫氰酸酶(rhodanese)和vLCAD基因簇共存，暗示其在氧化代谢中的功能保守性。

【链霉菌pirA失活导致H₂O₂积累】

pirA缺陷株在指数后期H₂O₂水平升高2倍，脂肪酸培养时更显著。互补实验证实该表型由pirA缺失直接导致，说明PirA参与氧化还原稳态维持。

【链霉菌AcdB(vLCAD)是H₂O₂来源】

体外实验首次证实链霉菌vLCAD具有H₂O₂生成活性，且PirA以剂量依赖方式抑制该活性，解释突变株表型。

【PirA具有 quercetinase 活性】

晶体结构分析显示PirA具有典型的 QueD 金属结合位点。酶活实验证实其可分解抗氧化剂槲皮素，该活性依赖H₂O₂存在，提示双加氧酶功能。

【PirA与H₂O₂反应生成羟基自由基】

化学发光实验发现PirA-H₂O₂体系产生显著发光信号，证实其通过芬顿反应生成OH•，为后续调控机制提供基础。

【链霉菌抗氧化系统】

基因组分析鉴定出CatR调控的抗氧化基因簇，包括主要营养期过氧化氢酶catA。pirA突变株中catA表达下降，暗示调控关联。

【PirA与CatR互作】

共纯化实验证实两者直接结合，且Fe³⁺条件下结合更强。AlphaFold3预测PirA结合在CatR二聚体背面，形成DNA-蛋白-蛋白三元复合物。

该研究首次阐明Pirin蛋白通过"代谢刹车"和"抗氧化开关"的双重机制：一方面通过抑制vLCAD减少H₂O₂生成，另一方面通过产生活性氧使CatR失活，激活抗氧化基因表达。这种精巧的级联调控不仅解析了微生物应对氧化压力的新机制，也为理解真核生物Pirin同源蛋白的功能提供线索。从应用角度看，调控该通路可能提高工业菌株的环境适应性或次级代谢产物产量，具有重要转化潜力。