浙江大学生命科学学院微生物研究所高海春教授团队的综述文章“Heme homeostasis and its regulation by hemoproteins in bacteria”已在mLife网站正式上线。当细菌面对血红素，为满足生理需求同时防止其有害影响，会进化出复杂的细胞机制来维持血红素稳态。文章综述了控制血红素稳态至关重要的生物过程的分子机制，包括合成、获取、利用、降解、运输和外流及其调节，同时涵盖了与血红素稳态相关的血红素蛋白及其系统的生理生化和结构特征的最新研究结果。

血红素是一种重要的辅助因子和调节分子，参与几乎所有活细胞生物的各种生理过程，它也可以作为许多细菌，特别是病原体的主要铁源。过量的血红素对细胞具有细胞毒性，因此细菌进化出了复杂的细胞机制来维持血红素稳态，包括平衡血红素生物合成、摄取和分解代谢、及血红素输出。文章重点介绍了与血红素稳态密切相关的主要过程的最新进展，包括生物合成、获取、利用、细胞内运输、输出和降解，以及它们受血红素蛋白的调节。

1. 血红素的生物合成

在原核生物中目前已至少鉴定出3种途径，第一个被称为protoporphyrin依赖性（PPD）途径，主要存在于革兰氏阴性细菌中，相比之下，许多革兰氏阳性菌主要具有coproporphyrin依赖性（CPD）途径，最后一种是在一些反硝化和硫酸盐还原细菌以及古细菌中发现的，即siroheme依赖性（SHD）途径。

2. 血红素的获取

迄今为止，研究人员已经在细菌中鉴定并表征了多种血红素获取策略。在革兰氏阴性细菌中，最广泛的血红素摄取策略是TonB依赖性受体（TBDR）和ATP结合（ABC）转运蛋白，分别用于将血红素转运穿过外膜和内膜；在革兰氏阳性菌中，由于缺乏外膜，细菌进化出细胞壁，其锚定的血红素结合受体代替TBDR，用于摄取血红素。

3. 血红素的利用与降解

为了利用从周围环境输入的血红素中的铁，细菌通过已知的多种血红素加氧酶（HO）从血红素中释放紧密结合的铁。在基因组上，HO基因通常与血红素摄取基因聚集在一起，还能通过降解内源合成的血红素，从而影响正常条件下生存和生长所需的生理过程。

4. 血红素在细菌内的运输

在革兰氏阳性菌中，血红素运输系统是HrtBA（包含血红素调节的ABC转运蛋白、跨膜HrtB渗透酶和胞质HrtA-ATP酶）（图1）。革兰氏阴性菌的血红素运输系统（CydDC）能够将新合成的血红素从细胞质转移到周质，在那里组装血红素依赖性蛋白质复合物。此外，细胞色素c成熟系统（Ccm）也能够通过催化血红素与细胞色素c前体的多肽链共价连接，参与到血红素的运输过程（图1）。

图1 细菌内血红素的运输

5. 血红素合成、获取和输出的调节

以血红素作为辅助因子的调节性血红素蛋白介导血红素合成、获取和输出，他们主要来自单组分转录调节家族和双组分系统（TCS）家族，包括铁摄取调节子（Fur）家族的Irr、多重抗生素耐药调节子（Mar）家族的PefR、四环素耐药调节子（TetR）家族的HrtR、LysR型转录调节因子（LTTR）家族的HbrL和TCS家族的HssRS（图2）。

图2 含有 Cys–Pro (CP) 基序和非 CP 基序的调节性血红素蛋白

引用本论文：Li Y, Han S, Gao H. Heme homeostasis and its regulation by hemoproteins in bacteria. mLife. 2024;(0).

原文链接：

https://doi.org/10.1002/mlf2.12120

第一作者

李盈曦

作者单位：浙江大学生命科学学院微生物研究所

作者简介：

浙江大学博士研究生在读，主要研究方向是细菌铁稳态以及含铁蛋白相关结构功能的研究。

通讯作者

高海春   教授

作者单位：浙江大学生命科学学院微生物研究所

作者简介：

博士生导师，美国普度大学博士、中国科学院武汉病毒研究所硕士、北京大学学士，美国Rice University客座教授。主要研究方向是细菌的生理学、分子遗传学、基因组学、生物信息学和结构生物学，目前正在进行的项目包括国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家重点研发计划重点专项等。

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