全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第4期
收稿日期:2008-01-27
基金项目:江苏省博士后基金(0701021B)
作者简介:郭书巧(1972-),博士,研究方向:生物技术
通讯作者:倪万潮(1962-),研究员,研究方向:植物生物技术,E-mail:jaasicb@public1.pt.js.cn,电话:025-84390618
需氧微生物通过有机化合物的氧化来获得能
量,其中氧是该反应的最终电子受体。正常情况
下,约 1%的电子从电子传递链中转移到氧上,产
生超氧阴离子自由基(O-2)[1]。这类活性氧(reactive
oxygenspecies,ROS)对细胞存在着潜在的危害。同
时也作为一种生理信号激活全局抗氧化应答[2],从
而避免最终的伤害或者对受伤害的细胞进行修
复。包括大肠杆菌和沙门氏菌在内的大多数细菌
中主要存在 SoxRS和 OxyR两类氧化还原应答转
录因子。通过这两个主要的氧化还原感应系统来
阐述氧化胁迫应答过程中基因表达调控的分子机
制。
1 氧化应激反应
细胞对超氧阴离子自由基(O-2)的应答,主要依
赖 SoxR调控子,氧化态的 SoxR能诱导 SoxS的转
录,SoxS与目标启动子结合,从而激活下游多个目
标基因的表达(图 1)。因可被超氧化物歧化酶 sodA
歧化生成 H2O2,而 H2O2是 OxyR转录激活的信号分
子。因此,它也间接诱导多种 H2O2反应诱导蛋白的
表达(图 1)[2]。
细菌的氧化应激及基因表达调控
郭书巧 徐鹏 倪万潮
(江苏省农业科学院生物技术所,南京 210014)
摘 要: 细菌受到氧化胁迫时,在细胞内形成氧化伤害并作为一种生理信号激活特定的调控子,诱导某些具有抗
氧化作用的蛋白质从而保护自身。其中最为重要的是两种氧化还原应答转录因子SoxR和OxyR调控子。前者是MerR
家族成员,含有铁硫中心,在细胞内以二聚体的形式存在,在感受到氧化剂刺激后激活 SoxS基因的表达,形成 SoxRS调
控子,从而激活一系列抗氧化基因的表达;后者是 LysR蛋白家族成员,在细胞内以四聚体的形式存在,含有一对半胱胺
酸残基,能被H2O2氧化形成二硫键,激活下游基因的表达。
关键词: 原核细胞 氧化胁迫 SoxR OxyR
RedoxSensingandExpressionRegulationofAntioxidant
GenesofBacteria
GuoShuqiao XuPeng NiWanchao
(InstituteofBiotechnology,JiangsuAcademyofAgriculturalSciences,Nanjing210014)
Abstract: Organisms,whenexposuretoreactiveoxygenspecies,canexciteasetofactionandinduceexpresion
ofantioxidantdefensegenes,confertolerancetooxidantandprotectoneself.Tworedox-responsivetranscriptionregulators
SoxR andOxyR havebeenweldefinedinEscherichiacoliandserveasparadigmsofredox-operatedgeneticswitches.
SoxR containsiron-sulfurcenterswhichactivatetheproteinswhentheyareone-electronoxidized,ornitrosylatedby
nitricoxide.SoxR activatestheexpresionofasinglegenesoxSinresponsetoexposuretosuperoxide-generatingagents
andtonitricoxide.TheelevatedlevelsoftheSoxSprotein(encodedbysoxS)leadtoincreasedexpresionofseveral
genes.OxyR containsapairofredox-activecysteineresidueswhichactivatetheproteinwhentheyareoxidizedtoform
adisulfidebondandthenactivatethenexpresionofseveralantioxidantdefensivegenes.
Keywords: Prokaryoticcel Redox-sensing SoxR OxyR
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第4期
2 氧化应激调控子
2.1 SoxRS调控子的转录激活机制
SoxRS调控子的两个基因 soxR及 soxS在染色
体中紧密串联,编码两个独立的转录激活子。SoxR
蛋白是 MerR家族成员,分子量为 17kD[3]。其 N端
有一个螺旋-转角-螺旋结构(GXLAXXSGLSXXXL-
RXYDXXGL),具有特异的 DNA结合功能;其 C端
有一个含 4个半胱氨酸残基的多肽序列(CX2CX-
CX5C),是金属配体的结合位点[4]。SoxR在溶液中
形成二聚体,每个单体含有一个[2Fe-2S]中心(图
2)[5,6],它是感知氧化胁迫的分子开关[7]。SoxS蛋白
约 13kD,属 AraC家族成员[3]。当 SoxR被激活时,蛋
白仍以二聚体的形式存在,且与它的目标序列 SoxS
的启动子紧密结合(图 2)[5]。SoxR中任何一个半胱
氨酸残基的突变都可以形成一个稳定的缺失[2Fe-
2S]中心的二聚体蛋白(apo-SoxR),而且与它的目标
序列仍有高度的亲和性[4]。
大肠杆菌 SoxR蛋白[2Fe-2S]中心处于氧化状
态(Fe3-Fe3)时,能与 SoxS启动子特异结合使 SoxS
转录激活能力提高100倍[5]。Hidalgo等发现 SoxS启
动子区存在基因敏感性特异结合位点,只有 SoxR
的[2Fe-2S]中心处于氧化状态时,才能与这些敏感
位点结合,具有转录激活活性[8]。将[2Fe-2S]单电子
还原后,进行体外转录激活分析,发现它具有高亲
和的 DNA结合活性,但失去了转录激活活性[9]。
SoxR蛋白特异性地结合在 SoxS的启动子中-
10~-35bp之间的区域,该区长 19bp—称之为间隔
区(spacer),而大肠杆菌其它基因的启动子在该区
仅为 17±1bp。Hidalgo等对 SoxS的启动子区进行
的一系列缺失分析结果表明,SoxS启动子的间隔区
长度对转录激活起着重要的作用[10]。在该区不同位
点缺失 1~2bp时,SoxR与启动子仍能紧密结合,增
加 SoxS的基础表达水平,但不能被 SoxR蛋白所激
活;当间隔区为 16bp时,SoxR无论氧化态还是还
原态都不与之结合,但仍能增加 SoxS的基础转录
水平[10,11]。Pomposie等认为 SoxR的激活效应部分归
功于 SoxR-DNA复合体的重建来补偿-10~-35间隔
区的偏长性(图 2)[11]。因而可以认为,在正常情况
下,还原性的 SoxR结合在 SoxS启动子上,RNA聚
合酶能结合在 SoxR-DNA复合体上,形成一种“闭
合性”复合体,没有转录激活活性。当受到氧化胁迫
后,[2Fe-2S]中心被氧化,SoxR再进一步刺激 RNA
聚合酶形成“开放性”复合体,具有转录激活活性。
这种推测还需要进一步的试验加以证明。
2.2 SoxRS调控子的表达调控机制
SoxRS调控子中的 SoxR蛋白呈低水平的组成
性表达,在整个 SoxRS调节系统中起感受器作用,
其反应顺序为:SoxR在感受到超氧化物等刺激后
激活 SoxS基因的表达;SoxS蛋白水平上升,继而激
活各个被调控的基因表达相关蛋白[2]。SoxRS靶基
因的激活赋予细胞对超氧化物和 NO以及一些抗
生素的抗性。
SoxS所调控的基因包括:sodA、zwf、fldA/fldB、
fpr、fur、nfo、acrAB和 micF等。其产物主要有以下几
种作用:氧化剂的清除(超氧化物歧化酶)、DNA的
修复(核酸内切酶 IV)、使氧化后的金属再还原(黄
素氧化还原蛋白和铁硫蛋白还原酶)、NADPH库的
重建(6磷酸葡萄糖脱氢酶)、膜通透性调节和毒素
的外排[11,12]。依赖于 NADP(H)的铁氧化还原酶(FPR)
和 6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PDH),分别由 fpr和 zwf
基因编码,都是 SoxRS调控系统成员。百草枯的胁
图 1 细菌对氧化胁迫应答的简单模式
图 2 超氧化物对 SoxR的激活机制
6
2008年第4期
迫导致 FPR蛋白增加,以维持[2Fe-2S]中心中心处
于还原态;也能使大肠杆菌中 G6PDH大量表达,从
而积累高水平的 NADPH[13]。fpr和 zwf两个或者其
中一个基因的失活能增强细胞对百草枯的敏感
性[13,14]。
对 SoxS和 SoxR突变株的研究表明,在细胞中
SoxS基因的缺失比 SoxR基因的缺失对超氧化物更
敏感,说明细胞内可能存在另一种 SoxS表达激活
机制[2]。
2.3 OxyR调控子的转录激活及表达调控
OxyR属于LysR蛋白家族成员,分子量为34kD,
N端含有高度保守的螺旋-转角-螺旋的结构域,具
有 DNA结合特性;C端含有与 LysR底物结合的调
控结构域[15]。在正常条件下,Cys199和 Cys208残基
以硫醇的形式存在,在 100~1000μM的 H2O2的胁
迫下,分子内形成可逆的二硫键(图 3)[16,17]。OxyR蛋
白由还原态转化为氧化态时,能与启动子结合来调
控基因的转录;还原态的 oxyR也可以结合 ahpCF、
katG和 oxyR本身的调控区,但不能转录激活[16]。另
外亚硝基硫醇(nitrosothiols)也可以激活 OxyR,它能
够释放 NO或其它分子,这说明大肠杆菌在亚硝基
硫醇胁迫下,产生了另一种具有活性的 OxyR[18,19]。
具体的反应机制还有待于进一步的研究。
OxyR调控子所调控的基因包括:dps(DNA或
者铁离子结合蛋白)、gov(GSH还原酶)、grxA(谷氧
还蛋白 A)、katG(过氧化酶)、ahpCF(烷基氢过氧化
物酶)和 fur(铁转运体的抑制剂)等。不仅在胁迫条
件下,而且在正常条件下这些酶都是氧化代谢所必
须的[20]。它们在细胞内的功能主要有清除体内的过
氧化氢、保护氧化胁迫下的 DNA以及谷胱苷肽的
合成与还原(图 1)[21]。
另外,OxyR能激活小的、非编码 oxySRNA的
合成,这种分子通过影响 mRNA的稳定性或者转录
效率,允许 OxyR间接调控 20多个基因的表达[22]。
3 其它氧化胁迫相关基因
Cho等(2003)从蓝色链霉菌中分离一株百草
枯抗性突变株 pqr501,并从中克隆到了 pqr基因,
该基因由两个转录单元 pqrA和 pqrB组成[23]。与基
因组图谱相比,pqrA基因在螺旋-转角-螺旋附近
发生了一个碱基突变,R18Q[23]。pqrA缺失突变株表
现了类似的百草枯抗性,且其转录活性比 pqr501
突变体中增加了 8倍,这说明 PqrA是一个自身调
节的负调节因子;pqrA和 pqrB同时缺失使细胞对
百草枯更加敏感,说明 pqrB具有百草枯输出泵的
功能;纯化的 Pqr蛋白能特异性的结合 pqrA启动
子区,而 R18Q蛋白突变体却不能与之结合,说明
PqrA直接对自身进行调节[23]。
MarA、Rob与 SoxS一样是 AraC转录因子家族
成员[24],这 3个蛋白赋予菌株对多种抗生素、氧化
胁迫以及有机溶剂的抗性[25]。PerR转录因子也可以
作为过氧化氢的感受器[26]。
4 氧化胁迫在生物化学中的应用与展望
Niazi(2007)等构建了两个分别携带 fpr:lux-
CDABE和 zwf:luxCDABE质粒的氧化胁迫应答大
肠杆菌菌种 FPR/RFM443和 ZWF/RFM443,当质粒
暴露在不同毒性的化合物中时,生物荧光应答灵敏
变化[14];Lee等用 SoxRS调控子基因的启动子制作生
物传感器芯片来进行氧化剂毒性检测[27],也证明它
能作为启动子活性检测的指示剂[28]。SoxRS和 oxyR
系统进行化合物毒性的检测具有快速方便,高效灵
敏的特点。同时也可能应用于微系统的分子阀门。
哺乳动物的脑神经疾病、地中海贫血和癌症等
疾病都与氧化胁迫相关[29~31],而许多由 SoxS调控的
基因在人类基因组中存在同源基因[2]。因此,期望
在分子基础上阐明生物的抗氧化机制,为探讨人体
抗突变、延缓衰老等系统的防御机制提供新的思
路。
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