【LorMe周刊】铁转运蛋白居然还有这种功能——探索果蝇体内铁奥秘 / 四六文摘

作者：万文，南京农业大学硕士在读，主要研究铁载体介导植物与根际微生物的互作关系。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍铁转运蛋白以及铁代谢通路如何在病原菌感染情况下调控果蝇中铁元素的分布。原文来自于2020年发表在《Proc Natl Acad Sci U S A》上的文章。

果蝇中铁在什么情况下发生什么变化了？

答：当病原菌感染果蝇后，果蝇会出现缺铁性贫血，存在某种机制对果蝇体内的铁进行了重定位。

那果蝇中的铁都去哪了？

答：根据本文实验结果表明，血液中流失的铁都被转移至脂肪体中。

这些铁是怎么转移过去的，谁在幕后操纵这一切，谁又在旁观中获利？

答：营养免疫是宿主对抗病原菌最为常见的一种方式，在果蝇被病原菌感染后，宿主会限制感染部位的铁营养，其中铁转运蛋白在抑制病原菌感染中发挥了重要功能，但是在这场战役中，除了宿主，病原菌也为铁资源费尽心机，通过铁载体方式不依不饶抢夺着铁，最终结果如何请见下文详细解读。

主要结论

1、果蝇因病原菌感染导致缺铁性贫血

在哺乳动物的实验中发现，血液的铁含量会因为病原菌感染而降低，作者认为果蝇中也可能会发生类似情况，即感染引发缺铁性贫血。对此，本文选择了四种不同的细菌感染果蝇，检测果蝇血液中铁的含量，发现感染后血液铁浓度显著低于对照组（图1A），并用已失活的细菌感染果蝇，血液中的铁含量仍然表现出显著降低（图1B），这表明降低血液中铁含量是宿主响应的结果，并不是细菌消耗了铁。为了追踪这部分降低的铁流向了哪里，作者检测了体内主要组织的铁含量，发现在感染后，血液铁含量降低，但脂肪体中铁含量显著增加，其他组织铁含量没有明显变化（图1C），因此认为细菌感染后，铁从血液中流入脂肪体中。

2、病原菌感染后铁通过Toll和Imd途径转移降低了血液中铁含量

本文对细菌感染后是否通过Toll和Imd免疫途径来降低血液中的铁含量，对比野生型果蝇与Toll途径突变果蝇（Toll途径受阻），发现Toll途径突变体与野生型血液中的铁水平持平，即该突变体无法在感染后降低血液中的铁含量（图1D，E）。同样地，对比野生型果蝇与Imd途径突变体果蝇（Imd途径受阻），发现Imd途径突变体中除了个别处理血液中铁含量出现降低，其余与野生型并无差别，表明Imd途径受阻后也无法降低血液中的铁含量，因此，宿主被感染后通过激活Toll和Imd途径将铁转移出血液。

图1 果蝇因病原菌感染引起缺铁性贫血

A和B：病原菌感染后果蝇血液中的铁含量；C：与未感染对照相比，M. luteus感染24小时后，野生型（WT）的果蝇组织中铁含量；D和E：分别在注射了灭活的Ecc15和M. luteus感染24 h后Toll途径突变体和Imd途径突变体中铁含量。

3、病原菌感染后铁转运蛋白1对于铁从血液转移至脂肪体是必需的

Toll和Imd途径是感染后从血液中移除铁所必需的，这表明过程中存在关键物质可以将铁从血液中转移至脂肪体中，通过监测感染后蛋白水平，发现铁转运蛋白1（Tsf1）在感染后被强烈诱导，并具有组织特异性，仅限于脂肪体（图2A，B），并且Tsf1是果蝇体内为一个受感染响应的铁转运蛋白，在感染后蛋白丰度显著增加（图2C）。进一步探索后，作者在确保了Toll和Imd途径正确诱导后构建了Tsf1^JP94突变体。将病原菌感染野生型果蝇和Tsf1^JP94突变体后发现，突变体血液铁含量显著高于野生型，并且脂肪体内铁含量很低（图2D）。通过使用Tsf1^JP94互补表达的基因，可以改善这一现象（图2E），这都表明Tsf1有助于在感染后将铁从血液转移至脂肪体的重新定位。

**图2 Tsf1对感染引起的缺铁性贫血的关键作用**

A和B：在M. luteus感染后的野生型和Toll途径突变体中，以及在Ecc15感染后的野生型和Imd突变体中，通过RT-qPCR测量获得Tsf1表达水平；C：M. luteus或Ecc15感染后24 h Tsf1的诱导；D：在M. luteus感染后，野生型和Tsf1^JP94所示组织中的铁含量在感染24小时后与未感染对照相比；E：与未感染对照相比，M. luteus感染后24 h所示果蝇突变体血液中铁含量。**

4、铁载体pyoverdine介导的铁获取对于病原菌铜绿假单胞菌感染是至关重要的

病原体在遭受宿主对其的营养限制（铁资源限制），通过分泌铁载体从生境中其他成员获取铁，铁载体是一类对铁资源具有高度亲和力的小分子螯合物，其高效性、对铁的亲和力远胜过宿主体内的铁转运蛋白。铜绿假单胞菌产生大量pyoverdine和pyochelin铁载体，获得铁资源供自身使用。作者用铜绿假单胞菌（PA14）以及pyoverdine缺陷型突变体（pvdP）和pyochelin缺陷型突变体（pchE）分别感染野生型果蝇和Tsf1^JP94。实验结果表明，pchE感染杀死野生型果蝇和Tsf1^JP94与PA14一样有效，表明pyochelin对铜绿假单胞菌的毒性影响不大。但是，pvdP感染野生型果蝇后，效果不如PA14，表明pyoverdine的缺失降低了铜绿假单胞菌的毒性，因此pyoverdine有助于铜绿假单胞菌的感染。pydP感染Tsf1^JP94突变体果蝇，效果与PA14效果类似，与此结果一致的是，Tsf1^JP94突变体中，pvdP菌落形成单位（cfus）与野生型铜绿假单胞菌相同，但在野生型果蝇中明显较低（图3A，B）。为了进一步评估pyoverdine的作用，作者使用了一种已知的pyoverdine阻遏剂，感染之前预先注射，实验观察到这种阻遏剂可以保护野生型果蝇中，但对Tsf1^JP94突变体没有影响（图3C），这与pyoverdine的基因破坏相似（图3A）。接着，作者又使用另一株铜绿假单胞菌菌株（PAO1）及pyochelin和pyoverdine突变体，同样证实了pyoverdine对于野生型果蝇毒力的重要性，但在Tsf1^JP94突变体中则不是必需的（图3D，E）。结果表明，pyoverdine铁载体是铜绿假单胞菌在感染宿主体内获取铁的必要手段，由于Tsf1^JP94突变果蝇血液中铁无法转运，因而存在大量铁，这时铁载体就可有可无了。

图3 铁载体pyoverdine对铜绿假单胞菌感染野生型果蝇的关键作用

A：**野生型和*Tsf1**^JP94突变果蝇的存活率；B：野生型铜绿假单胞菌在感染野生型和Tsf1**^JP94果蝇16小时后细菌数量；C、D、E：在感染铜绿假单胞菌之前，预先注射铁载体阻遏剂的野生型和Tsf1**^JP94*果蝇的存活率。**

结论

本文通过构建多种突变体进行了验证，表明果蝇在病原菌感染后引发了缺铁性贫血，即通过Toll和Imd途径及铁转运蛋白将铁从血液转移至脂肪体中。此外，还证明了铁载体pyoverdine是铜绿假单胞菌成功感染的前提条件，同时也是细菌的毒力因子之一。这也引发我们提出更多的问题，为什么铁转运至脂肪体而不是其他组织，而Tsf1又是如何精确定位脂肪体，以及如何通过调控铁载体降低病原菌毒性，增强宿主的防御能力。

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