锌过载通过SoxR [2Fe-2S]簇解聚驱动大肠杆菌氧化还原-金属稳态失衡的分子机制

《Redox Biology》：Zinc overload disrupts SoxR [2Fe–2S] clusters to drive redox-metallic crosstalk via SoxS-ZnuACB in Escherichia coli

本研究揭示了锌过载通过特异性解聚大肠杆菌关键氧化应激传感器SoxR的[2Fe-2S]簇，破坏细菌氧化还原感知的新机制。研究人员利用EPR、UV-Vis等技术证实锌离子特异性干扰SoxR铁硫簇组装，并通过qPCR、ICP-MS等实验阐明该过程通过SoxS-ZnuACB/SOD轴将锌毒性转化为氧化脆弱性。该发现为针对Fe-S簇完整性以破坏病原体金属稳态的抗耐药策略提供了新思路。

　　

在微生物与宿主的军备竞赛中，金属离子成为双方争夺的关键战略资源。锌作为生命体必需的微量元素，在细菌生长、代谢和应激响应中扮演双重角色：适量时是维持生命的"得力助手"，过量时则成为破坏平衡的"隐形杀手"。然而，细菌如何感知并应对锌过载的威胁，特别是锌毒性如何与氧化应激响应交叉对话，始终是微生物金属稳态领域的未解之谜。

近日发表在《Redox Biology》的研究论文，由温州医科大学分子医学实验室团队完成，揭示了锌过载通过靶向氧化应激主控传感器SoxR的[2Fe-2S]簇，颠覆细菌氧化还原防御体系的全新机制。这项研究不仅发现了金属-氧化还原交叉对话的关键环节，更为对抗耐药病原体提供了新的靶点策略。

研究人员主要运用了电子顺磁共振（EPR）光谱分析铁硫簇的氧化还原状态，紫外-可见（UV-Vis）光谱表征蛋白质特征吸收峰，实时荧光定量PCR（qPCR）检测基因转录水平，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量细胞内金属含量，以及蛋白质纯化与体外重构等关键技术方法。

锌特异性抑制SoxR [2Fe-2S]簇的组装

通过EPR分析发现，随着锌离子浓度增加，SoxR特征性的[2Fe-2S]²⁺信号逐渐减弱，而SDS-PAGE证实锌不影响SoxR蛋白表达。UV-Vis光谱显示1 mM锌离子显著降低SoxR [2Fe-2S]簇的特征吸收峰。对照实验表明，锌对含[4Fe-4S]簇的IlvD、含[2Fe-2S]的FhuF以及含双簇的BioB均无显著影响，证明锌对SoxR的作用具有高度特异性。

锌破坏SoxR [2Fe-2S]簇结合位点并影响蛋白稳定性

时序实验显示，即使在SoxR成熟后加入锌离子，其[2Fe-2S]簇也在5-30分钟内近乎完全丢失，而FhuF和Fdx的簇结构保持稳定。全细胞电泳发现锌诱导SoxR从可溶态转为不溶态。体外实验中，15 μM ZnSO₄导致纯化SoxR浊度增加和沉淀，而FhuF无此变化，表明锌可直接破坏已组装的SoxR簇。

铁硫簇组装缺陷增强细菌对高锌环境的耐受性

缺铁硫簇组装系统的iscU^-/iscA^-/fdx^-突变株表现出与锌处理野生型相似的表型。铁螯合剂2,2'-联吡啶和低温培养（均抑制铁硫簇组装）也增强锌耐受性。soxR^-、soxS^-与三突变株表型一致，且soxR回补三突变株耐受性更强，表明apo-SoxR可能通过紧密结合soxS启动子抑制转录来介导锌耐受。

铁硫簇组装缺陷菌的锌耐受主要由SoxS和ZnuACB介导

qPCR显示soxS^-与三突变株中znuACB转录均下调。SoxS过表达上调znuACB mRNA水平。锌处理下MC4100与三突变株的soxS表达均降低。ICP-MS证实SoxS过表达的三突变株细胞内锌含量显著升高。氧化应激实验发现，锌与维生素K₃联用可协同抑制细菌生长，且SoxS回补能缓解氧化敏感表型。

高锌条件下大肠杆菌的锌耐受涉及ZnuACB摄取调控而非zntR/zntA外排

ICP-MS显示三突变株在1.2 mM锌条件下细胞内锌含量显著低于野生型，而铁含量始终较低。qPCR证实三突变株znuACB下调而zntA无显著变化。znuACB回补恢复锌敏感性，znuACB缺失则增强耐受性。回补实验还发现znuACB表达会破坏[4Fe-4S]簇组装。

该研究最终阐明了一条全新的Zn-SoxR-SoxS-ZnuACB/SOD信号通路：高锌通过解聚SoxR [2Fe-2S]簇，抑制soxS转录，进而下调锌摄取系统ZnuACB表达，限制锌内流以维持稳态；同时削弱SoxS-SOD轴功能，使细菌更易受氧化攻击。这一机制将锌毒性转化为氧化脆弱性，揭示了Fe-S簇完整性在金属-氧化还原交叉对话中的核心作用。研究不仅深化了对细菌金属稳态调控网络的理解，更启示通过靶向Fe-S簇可同时破坏病原体金属与氧化还原稳态，为抗感染策略提供了新范式。