全 文 ：·综述与专论· 2012年第1期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 : 2011-06-07
基金项目 : 湖北省教育厅科学研究项目（B20114606）, 武汉市教育局科学研究项目（2010084）
作者简介 : 董妍玲 , 女 , 博士 , 讲师 , 研究方向 : 微生物工程 ; E-mail: shoongyanlihg@163.com
通讯作者 : 潘学武 , 男 , 博士 , 讲师 , 研究方向 : 微生物工程 ; E-mail: whswwz@163.com
细菌内依赖 TonB 的外膜铁转运体的研究进展
董妍玲 潘学武
（武汉生物工程学院生物技术系，武汉 430415）
摘 要： 铁是细菌所必需的微量营养元素，但由于易被氧化溶解性低，生物体的利用率大大降低。细菌在进化过程中形成多
种策略来吸收环境中低浓度的铁，不同类型铁的吸收通过外膜上依赖 TonB 的转运体（TonB-dependent transporters, TBDTs）完成，
TBDTs 结合不同形式的铁复合物，通过内膜上的 TonB-ExbB-ExbD 复合物提供能量完成转运，对其机制的研究一直是微生物基础生
命活动研究中的热点问题。近年来新鉴定了一些 TBDTs 的结构，并对其功能和转运机制有了更深入的研究，对此进行了综述，不
仅有助于进一步揭示细菌的铁转运机制，而且有助于寻找新的靶位点以开发新的治疗药物。
关键词： 铁转运 外膜蛋白 依赖 TonB 的转运体 嗜铁素
Progress of TonB-Dependent Transporters for Iron on
Outer Membrane in Bacteria
Dong Yanling Pan Xuewu
（Biotechnology Department of Wuhan Bioengineering Institute, Wuhan 430415）
Abstract: Although iron is the necessary nutrient element for bacteria, its availability is greatly reduced by its low solubility. To acquire
iron, bacteria have evolved a range of strategies mechanism. Iron absorbing is performed through the TonB-dependent transporters (TBDTs) on
outer membrane of bacteria. TBDTs bind and transport ferric chelates coupled with energy providing by a complex of three inner membrane
proteins, TonB-ExbB-ExbD. The mechanism has been the hot spot study on based life activities of microorganism. In recent years, structures of
some new TBDTs have been identified, and researches has been done on these TBDTs’ function and transport mechanism.
Key words: Iron transport Outer membrane proteins TBDTs Siderophore
铁是所有有机体所必需的营养元素之一，它是
细胞内重要蛋白或酶的重要组分，在氧代谢、电子
传递、RNA 合成及其他细胞代谢中起重要作用。尽
管铁是地壳第四大元素，但因其在生理 pH 下的溶
解性低而降低了利用率，在有氧条件下，Fe2+ 能被
迅速氧化成 Fe3+，形成不溶的氢氧化物沉淀下来，
导致环境中自由的 Fe3+ 浓度小于 10-17 M［1］，远远低
于微生物正常生长所需的铁浓度（10-8-10-6 mol/L）。
细菌在进化中形成了许多策略来获取铁，厌氧
条件下，有足够可溶的 Fe2+ 可供厌氧菌吸收利用 ；
在好氧条件下，细菌和真菌可合成多种低分子量的
铁螯合物，称为嗜铁素（siderophore）；低铁条件下，
细胞合成嗜铁素并分泌到细胞外，嗜铁素以高亲和
力结合环境中的 Fe3+，Fe3+- 嗜铁素复合物随即被相
应的转运体转运到细胞内。嗜铁素介导的铁吸收机
制是细菌获得 Fe3+ 最常见的形式，此外还存在其他
机制 ：（1）一些细菌病原体直接识别血红素或含有
血红素的蛋白如血红蛋白（haemoglobin）、血红素结
合蛋白（haemopexin）及结合珠蛋白（haptoglobin）
等， 从 血 红 素 中 获 得 Fe3+［2］；（2） 分 泌 20 kD 的
haemophores，与自由的血红素或含有血红素的蛋白
结合，通过特定的外膜转运体吸收［3］；（3）直接从
铁传递蛋白或乳铁传递蛋白中获得 Fe3+［4］。
无论何种转运机制，含有铁的底物都与特定
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第1期24
的外膜转运体结合完成转运，但外膜转运体不能水
解 ATP 来驱动转运，为了获取能量，外膜转运体
必须和内膜蛋白复合物相互作用，这些内膜蛋白复
合物由 TonB、ExbB 和 ExbD 组成，它们组装成一
个由 1 个或 2 个拷贝的 TonB 和多个拷贝的 ExbB 和
ExbD 组成的复合物，并形成一个多聚体为外膜转运
体提供能量。这种依赖 TonB 的外膜转运体（TonB-
dependent transporters, TBDTs）以不需能量的形式高
效结合底物，通过与 TonB 相互作用，从而驱动底物
穿过外膜［5］。TBDTs 除了参与吸收转运铁外，还可
参与细菌对 VB12、镍离子螯合物和糖类等物质的吸
收［6］。本文主要综述了近年来对细菌中与铁离子转
运相关 TBDTs 的研究进展，包括 TBDTs 的结构和功
能、TBDTs 的合成调控等。
1 TBDTs 的功能
细菌对环境中低浓度铁的吸收必须通过一套主
动运输体系才能完成，其中 TBDTs 以不需能量的形
式高效结合含铁的底物，结合底物后 TBDT 构象发
生变化，通过 N-末端被称作“TonB 盒”的保守区域
与 TonB 相互作用，从中获取能量完成转运。TonB-
TBDT 的这种相互作用是细菌吸收这些微量营养物
的关键，同时 TonB-TBDT 相互作用的界面还有可能
成为新的抗生素作用的靶位点［7］。典型的转运途径
是穿过外膜后，含铁的底物和周质腔结合蛋白结合，
通过细胞质膜上的通透酶（通常是 ABC 转运体）进
入细胞质。
几乎所有的革兰氏阴性菌都含有 TBDTs，用于
吸收铁和维生素 B12、镍、碳源和其他可能的底物，
如 H. pylori 中 FrpB4 是一种依赖 TonB 的镍离子转
运体 ；C. crescentus 中 MalA 则与麦芽糖吸收相关 ；
Salmonella typhimuriu 中 与 VB12 吸 收 有 关 的 BtuB
等。不同细菌含有的 TBDTs 的数量不同，E. coli 只
合成 7 种 TBDTs ；P. aeruginosa 含有 34 种 TBDTs ；C.
crescentus 则含有 65 种 TBDTs。目前已经鉴定了其中
12 种 TBDTs 的结构，如表 1 所示。
TBDT 名称 来源 转运底物 参考文献
BtuB E. coli Colicin/VB12 [8]
Cir Colicin [9]
FepA enterobactin [10]
FecA citrate [11]
FhuA ferrichrome [12]
FptA P. aeruginosa Pyochelin [13]
FpvA pyoverdin （Pvd） [14]
FyuA Y. pestis Yersiniabactin [15]
YiuR 未知 [15]
HasR S. marcescens haemophore [16]
ShuA 未知 [17]
FauA B. pertussis 未知 [18]
表 1 已知结构的 TBDTs
A. 结合底物的 FhuA 复合物的俯视图，示 22 股 β 链组成的桶形结构域 ；B. 结合底物的 FhuA 复合物的结构侧面图，示 FhuA
结合的底物（铁色素）及塞子结构域 N-末端的 TonB 盒 ；C. 结合底物的 FhuA 复合物的结构底部图，示塞子结构域
图 1 TBDT 蛋白 FhuA 结构示意图 [15]
2 TBDTs 的结构
2.1 TBDTs的保守结构
研究（图 1）表明，12 种 TBDTs 结构很相似，
都含有两个保守结构域 ：一个塞子样的结构域和一
个由 22 股 β 链组成的桶形结构域，其中 β 桶包围着
塞子结构。一些 TBDTs 还具有长的 N-末端延长区，
在转录调控中起作用。通过塞子结构面向细胞外的
残基和 β 桶在外膜上的残基及细胞外的环形成了底
物的结合位点，与 TonB 相互作用的 TonB 盒一般位
于塞子结构域突出到周质腔的 N-末端结构中，在一
些 TBDTs 中，TonB 盒也可能折叠到塞子结构域中或
者分布比较散乱。
2012年第1期 25董妍玲等 ：细菌内依赖 TonB 的外膜铁转运体的研究进展
通过对 12 种 TBDTs 进行基于结构的序列排列，
发现它们存在 TEE，PGV， IRG 盒，LIDG 盒，RP 盒
和 Hβ4 等保守基序，而且都定位于塞子结构域。大
部分 β 桶序列也极度保守，许多 β 折叠都有一个
或多个标志性完全保守地残基，通过它可预测其他
TBDTs 或者其他 β 折叠蛋白家族的结构，细胞外的
环区并未发现有保守残基［15］。同种嗜铁素或大肠杆
菌素的配体结合位点也都是特定的，如 FhuA 利用
芳香族残基结合铁红素［19］，而 FecA 的结合口袋含
有几个精氨酸残基以结合负电荷的柠檬酸亚铁［20］，
两种亚铁血红素转运体通过位于塞子中保守的组氨
酸残基与嗜铁素结合［21］。
2.2 TBDTs与含铁的底物结合时结构的变化
当 TBDT 与嗜铁素复合物结合时会产生构象的
变 化， 对 FecA，ShuA 和 FyuA 来 说［17,20］， 当 Fe3+-
嗜铁素结合时，TBDT 位于细胞外的环区产生构象
变化，将结合的底物隔离，同时传递信号到 TonB-
ExbB-ExbD 复 合 物， 随 后 TBDT 的 TonB 盒 和 TonB
的 C-末端接触。对 BtuB-TonB 和 FhuA-TonB 复合物
结构的研究表明，TonB 盒呈现含 3 个 β 折叠的一个
α-β 折叠结构，与 TonB 的 β 折叠相对应，两者通过
很小的界面结合，塞子结构域仍然位于 β 桶内，需
要 TonB-ExbB-ExbD 复合物提供能量才能产生可见的
变化。一旦嗜铁素复合物与 TBDT 结合，塞子结构
域构象发生变化，从而在塞子结构和 β 桶内壁产生
一个孔道使转运得以发生，但是塞子结构域构象变
化的程度和它是否离开 β 桶仍是个值得探讨的课题。
2.3 TBDTs与无铁的底物结合时结构的变化
TBDTs 亚类中一些成员（TBDTN）具有大约 70
个残基的 N-末端延伸，这个结构域参与信号传递，
从而激活嗜铁素编码基因的转录和转运体编码基因
的转录。这个亚类包括前述 12 种 TBDTs 中的 FecA、
FpvA 和 HasR，还包括一些未知结构信息的 TBDTs，
如 P. aeruginosa 中 FiuA （ferrioxamine 转运体）［22］，P.
putida 中的 PupA 和 PupB （假单胞菌素 BN7 和 BN8
的转运体）［23］，B. bronchiseptica 中的 BfrZ（嗜铁素
转运体）［24］。对这一家族成员的分析表明，与其他
TBDTs 不同的是，他们不但可以结合有铁的底物（如
Fe3+- 嗜铁素或 holo-haemophore），还可以相似的亲
和力结合无铁的底物（嗜铁素或 apo-haemophore）。
而目前为止，还未见有 FhuA 或 FepA 能结合无铁嗜
铁素的报道，与 TBDTN 不同的是，这两种 TBDTs 只
能吸收转运 Fe3+- 嗜铁素复合物，而且没有转录调控
的功能。
尽管 TBDTN 能结合无铁的嗜铁素，但只有 Fe3+-
嗜铁素复合物能被转运，未结合铁的嗜铁素不能被
吸收进入细胞。结构和生化数据表明，对 FecA 和
FpvA 来说，含铁和无铁的嗜铁素结合在同一个结合
口袋，通过比较 FecA 在两种不同状态下的晶体结
构表明，尽管无铁和含铁的嗜铁素占据的位点相同，
但是与 TBDTN 相互作用的方式不同。与无铁的底物
柠檬酸（citrate）结合后，FecACit 中两个柠檬酸分子
采取直角方向以避免不利的静电排斥，而 FecAFeCit
中铁 - 柠檬酸则采取平行方向，后者允许两个柠檬
酸盐分子的羧基基团与铁离子相互作用。柠檬酸盐
方向的改变导致 FecA 与无铁的柠檬酸和铁 - 柠檬
酸相互作用方式不同，这为 FecA 提供了区分无铁和
含铁嗜铁素的方法。分析 FecACit 和 FecAFeCit 的结构
表明，一旦与铁 - 柠檬酸结合，FecA 位于细胞外的环、
塞子结构域和 TonB 盒基序会产生很大的构象变化，
细胞外的环 L7 和 L8 向底物移动平均 7 Å 和 8 Å，铁 -
柠檬酸陷入结合口袋内部以方便转运 ；而无铁的柠
檬酸与 FecA 结合后，并没有被结合口袋封闭，仍游
离于细胞外基质中［11,25］，FpvA 与 Pvd 和 Fe-Pvd 的
结合特点与 FecA 类似［26,27］。
2.4 TBDTN转运含铁的底物
因为 TBDTN 家族成员有结合无铁底物的能力，
它们转运含铁底物的机制与 FhuA 和 FepA 不同。缺
铁条件下，FepA 和 FhuA 含有空的结合位点，细胞
外相应的 Fe- 嗜铁素直接与空的口袋结合，然后通
过 TonB-ExbB-ExbD 提供能量进行转运；相反，TBDTN
在缺铁条件下与相应无铁的底物结合，随后含铁的
底物会替换无铁的嗜铁素，或 TBDTN 从环境中提取
铁以形成含铁的复合物。
FecA 在缺铁条件下与有铁底物的结合包含两
个步骤，FecA 首先与无铁的柠檬酸结合形成无效
的 FecACit，随后铁 - 柠檬酸与 FecA 结合，形成转
运竞争状态的 FecAFeCit，TonB 随即与 FecAFeCit 相互
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第1期26
作用并激活后者，从而将含铁的嗜铁素转运到周质
腔，但目前仅根据 FecA 的结构无法揭示 FecACit 和
FecAFeCit 两种不同的结合状态进行转变的机制［11,28］。
对 FpvA 的 研 究 表 明， 虽 然 Fe-Pvd 或 无 铁 的
Pvd 都以相似的亲和力与 FpvA 结合，但无铁的 Pvd
在 FpvA 上正确定位的动力学速率要比 Fe-Pvd 低很
多，这意味着即使细胞外培养基中无铁的 Pvd 浓度
比 Fe-Pvd 高，仍有可能形成一定数量的 FpvA-Fe-
Pvd 复合物，从而激活 FpvA 转运体对其进行转运。
铁被细胞吸收后，无铁的 Pvd 又重新循环到细胞表
面，再次与 FpvA 结合，如果细胞仍处于铁饥饿状
态，TonB 复合物能激活无铁的 FpvA-Pvd 复合物解体，
重新开始新一轮的铁吸收，这个过程被称为“转运
体底物置换机制”［26,27］。
HasR 对含铁底物转运的机制与 FpvA 不同，并
未发生含（holo-）或不含（apo-）血红素的 haemo-
phore 进 行 置 换 的 现 象。 一 旦 apo-haemophore 与
HasR 结 合 后， 未 与 HasR 结 合 的 holo-haemophore
会将血红素交给 apo-haemophore-HasR 复合物。这
种被称为“铁离子配体的交换机制”包含了两种
haemophore 形式的相互作用，可能是由于已与 HasR
结合的 apo-haemophore 对血红素具有更高的亲和力。
与嗜铁素不同的是 haemophore 并不与血红素一起
转运，而是仍然与转运体细胞外的位点结合，即一
旦形成 holo-haemophore 转运体复合物后，血红素从
holo-haemophore 上转移到转运体，并被 TonB-ExbB-
ExbD 激活进行转运［29,30］。
3 TBDTs 合成的调控机制
3.1 TBDTs编码基因的构成
大肠杆菌（E.coli）中 7 个 TBDTs 的编码基因分
散于染色体中，其中 btuB、fhuE 和 cirA 转录为单顺反
子，而 fecA 和 fhuA 是操纵子 fecABCDE 和 fhuACDB
的第一个基因，两个操纵子下游的基因编码将嗜铁
素转运穿过细胞质膜的 ABC 转运体，fepA 的下游基
因是 entD，它与肠菌素嗜铁素的合成有关，fiu 后是
基因 ybiX 和 ybiI，目前还不清楚它们是否形成操纵
子结构。所有这些基因的调控均在转录和转录后水
平进行，并且在不需要 TBDTs 的时候限制它的合成，
以防止噬菌体利用一些外膜蛋白侵入细胞。
3.2 Fur对铁离子吸收相关TBDTs转录的调控
尽管铁对有机体非常重要，但过多铁离子的积
累也可能产生活性氧毒性，因此必须严格控制细胞
内铁离子的水平。E.coli 中，铁离子吸收调控因子
（ferric uptake regulator，Fur）在这个过程中起关键作
用，它可调控与维持细胞内铁离子动态平衡相关基
因的表达。Fur 是一种阻遏蛋白，根据细胞内铁的含
量调控铁吸收基因和嗜铁素的生物合成，它以 Fe2+
作为辅阻遏物，以二聚体形式与相应基因的启动子
区结合，用 DNA 足迹法分析多个启动子序列表明，
Fur 和 Fe2+ 结合的序列高度保守，称为 Fur 盒，保守
序列为 GATAATGATAATCATTATC，在其他细菌铁
调控基因的启动子区也发现了类似的序列［31,32］。
在有铁离子存在的条件下，Fur 与 Fe2+ 结合形
成阻遏物，与 Fur 盒处的 DNA 序列结合，从而抑制
许多基因的表达 ；在低铁条件下，Fe2+ 与 Fur 蛋白
分离，释放了操纵序列，使参与铁吸收的基因得以
转录（图 2）。所有与铁转运相关的 TBDTs 都受 Fur
的调控，因此当细胞内铁离子到达一定水平时其表
达就受限制。Fur 盒不但存在于启动子区，还存在于
fhuE 和 fiu 基因的上游，Fur 也直接抑制 tonB 基因的
转录，并且通过与 exbB 上游结合，从而抑制 exbB-
exbD 的转录。
3.3 ECF σ因子对转录的调控
除了 Fur 介导的阻遏机制外，TBDTs 的转录调
控还存在通过信号传导进行的诱导机制（图 2），这
个信号机制包括 3 个组分 ：一个与相应的含铁底物
结合的 TBDT，一个内膜调控蛋白（或称抗 σ 因子）
和一个细胞质中的 ECF （extracytoplasmic function，
ECF） σ 因子。含铁的底物与其相应转运体相互作用
引发转运体构象变化，通过依赖 TonB 的能量驱动而
传递到内膜调控因子，内膜调控因子随即调控特定
ECF σ 因子的活性，σ 因子与 RNA 聚合酶核心酶结
合形成全酶，起始铁转运操纵子的转录［33,34］。
在 E.coli 的 Fec 系统中，fecABCDE 的表达被相
应的嗜铁素（ferric dicitrate）诱导，其中 TBDT 是
FecA，抗 σ 因子是 FecR，σ 因子是 FecI。研究表明，
FecA N 端 79 个残基延长部分和 FecR 的周质腔结
构域相互作用，FecR 细胞膜结构域和 FecI 相互作
2012年第1期 27董妍玲等 ：细菌内依赖 TonB 的外膜铁转运体的研究进展
TBDT 识别细胞外的 Fe3+- 嗜铁素复合物，并通过 TonB 盒与 TonB 相互作用，借助位于内膜上 TonB-ExbB-ExbD 复合物提供能量，将 Fe3+-
嗜铁素转运通过外膜，通过周质腔结合蛋白和一个 ABC 转运体将 Fe3+- 嗜铁素转运穿过内膜，一旦 Fe3+- 嗜铁素进入细胞质，Fe3+ 被还原
为 Fe2+，与酶结合或储存起来，多余的 Fe2+ 与阻遏蛋白 Fur 结合形成复合物，并与靶基因的启动子区 （Pfur） 结合从而抑制嗜铁素转运基因
的转录。一些 TBDTs，如 E. coli 中的 FecA, 还可被 σ/ 抗 -σ 因子系统调控，除了运输含铁的底物外，FecA 还调控 fecABCDE 转运基因的
转录，这个体系包括 3 种组分 ：FecA 的 N 端延伸区，内膜上的 σ 调控蛋白和细胞质内的 σ 因子，同样需要 TonB-ExbB-ExbD 提供能量。
RNApol, RNA 聚合酶 ; OM, 外膜 ; IM, 内膜
图 2 嗜铁素的转运和调控系统示意图［15］
用。这些相互作用在没有嗜铁素的时候也存在，表
明 FecA、FecR 和 FecI 在体内的相互作用并没有激
活 fecABCDE 转录，而铁 - 柠檬酸与 FecA 的结合可
能改变了这种相互作用的性质或力量，从而引起信
号传递［33］。
在 P. aeruginosa 中， 铁 -Pvd 与 其 转 运 体 FpvA
结合而产生信号，通过抗 σ 因子 FpvR 传递给两个
ECFσ 因子——FpvI 和 PvdS，这是第一次发现抗 σ
因子 FpvR 直接调控 2 个不同的 ECFσ 因子的活性，
其中 FpvI 与 RNA 聚合酶结合，起始 fpvA 的转录，
PvdS 则起始 Pvd 基因的转录。通过这个系统，嗜铁
素（Pvd）与其转运相关的基因均被诱导转录［35］。
3.4 其他转录调控
Fur 和 FecI 可 能 并 不 是 影 响 TBDTs 转 录 唯 一
的调控因子，通过基因组学和 RT-PCR 方法表明，
fecA、fepA、cirA 和 fiu 在转录调控因子 Crp 缺乏的
突变株中表达上调，这表明 TBDTs 的合成可能还与
细胞内碳源的含量有关，但这种影响是直接的还是
间接的仍需进一步的试验证明［36］。另外，调控因子
PdhR 可能是影响 fecA 表达的一种潜在的调控因子，
它能直接与 fecA 启动子结合，从而抑制 fecA 的转
录，而 PdhR 的调控作用与细胞内丙酮酸盐浓度有关。
没有丙酮酸盐时，PdhR 与 fecA 启动子区结合抑制
靶基因的表达，当丙酮酸盐足够多时，PdhR 不再与
fecA 结合，抑制作用被解除，因此丙酮酸盐也可导
致 fecA 的表达增强［37］。
4 展望
为了获取环境中微量的铁，细菌细胞通过 TonB
提供能量，驱动外膜上相应的 TBDTs 对含铁的底物
进行转运，明确这种能量由细胞质膜传递到外膜的
机制不但可以深入理解微生物的基础生命活动，还
具有实际的应用价值，如 TonB-TBDT 相互作用的界
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第1期28
面有可能成为新的抗生素作用的靶位点。因此，铁
的运输机制为了解化学治剂有效地干扰细菌正常繁
殖提供了依据，而铁运输突变型的研究可能为生产
同源或异源抗体提供减毒的菌株。
近年来对细菌铁离子吸收机制的研究有了较大
的进展，已经鉴定了 12 种 TBDTs 的结构，并分析
了它们的保守结构及与底物结合时构象的变化 ；通
过生化和遗传学方法了解到 TBDTs 种类的不同及结
合的含铁底物不同，则转运的机制不同，如 FecA 和
FpvA ；另外，TBDTs 的合成主要受 Fur 和 ECF σ 因
子的调控，同时可能还存在其他调控机制等。随着
研究的不断深入，仍然有许多问题需要解决，如当
与底物结合时，信号如何从 TBDTs 传递到 TonB 从
而导致 TBDTs 与 TonB 相互作用，TBDTs 在转运前
和转运后构象如何变化，TBDTs 在不同条件下的表
达如何被调控，ECF σ 因子调控 TBDTs 表达的分子
机制是什么。相信这些问题的解决会不断促进对细
菌铁离子吸收机制的深入了解，为其实际应用提供
理论依据。
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（责任编辑 狄艳红）