烟曲霉铁转运蛋白 FpnA：解锁金属抗性与稳态调控的新奥秘

研究人员针对烟曲霉（Aspergillus fumigatus）铁稳态问题，研究 FpnA 功能，发现其介导多种金属抗性，意义重大。

　　在微观的生物世界里，铁元素对于几乎所有生物的生存都至关重要，它就像一把双刃剑，适量的铁能维持生命活动，可一旦过量，就会摇身一变成为 “健康杀手”，引发氧化应激，威胁生物体的健康。在真菌领域，烟曲霉作为一种常见的人类致病真菌，一直是科研人员关注的焦点。它广泛存在于环境中，在免疫功能低下的人群中，极易引发严重的侵袭性感染，严重时甚至危及生命。

在烟曲霉的生命活动中，铁稳态的维持是一个复杂而精妙的过程。为了获取铁元素，烟曲霉进化出了两种高亲和力的铁摄取系统：一种是通过铁载体介导的铁摄取，这在其感染无脊椎动物和哺乳动物的过程中，对其致病性起着关键作用；另一种则是还原铁同化途径。而当铁元素过多时，烟曲霉会利用液泡膜转运蛋白 CccA，将多余的铁储存到液泡中，以此来实现铁的解毒。

不过，长期以来，有一个谜团一直困扰着科研人员：与深入研究的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等真菌不同，烟曲霉的基因组中编码了一个与人类铁转运蛋白 ferroportin（Fpn1）同源的蛋白 FpnA（Afu5g12920），但这个蛋白的功能却一直不为人知。要知道，Fpn1 是脊椎动物中已知的唯一铁外排转运蛋白，而微生物通常被认为缺乏细胞铁外排系统，那么烟曲霉的 FpnA 究竟有何特殊功能呢？为了解开这个谜团，来自奥地利因斯布鲁克医科大学分子生物学研究所等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Biology》杂志上，为我们揭示了 FpnA 的神秘面纱。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。在基因工程方面，通过构建烟曲霉突变菌株，对 FpnA 编码基因 fpnA 进行删除、条件表达及标记等操作，以探究其功能。利用 Northern blot 分析技术，检测 fpnA 转录水平受不同金属影响的情况。借助荧光显微镜技术，观察 Venus 标记的 FpnA 在细胞中的定位。还运用生物信息学方法，进行序列比对、系统发育分析以及蛋白质结构预测等。

下面来看具体的研究结果：

1. 烟曲霉基因组编码铁转运蛋白同源物：研究人员通过同源性搜索发现，烟曲霉拥有与人类 Fpn1 同源的 FpnA，但之前数据库中其基因的外显子 - 内含子结构和推导的蛋白质序列预测存在错误。经过手动校正后，发现校正后的烟曲霉 FpnA 与人类 Fpn1 蛋白质的同一性为 25%，在反向 blastp 搜索中是最佳同源物。
2. FpnA 介导对镍、钴和镓的抗性：研究人员构建了一系列烟曲霉突变菌株，包括 ΔfpnA、fpnA 条件表达菌株等。通过在含有不同金属的固体培养基上培养这些菌株进行表型分析，发现删除或下调 fpnA 会降低菌株对镍、钴和镓的抗性，而诱导 fpnA 表达则能显著提高菌株对这些金属的抗性。同时，FpnA 对铁、铜、镉、铝和锌的抗性没有影响。这表明 FpnA 参与了烟曲霉对镍、钴和镓的解毒过程，而不参与对其他几种金属的解毒。
3. fpnA 转录水平不受金属底物暴露的影响：Northern blot 分析显示，fpnA 的转录水平不会因高浓度的镍、铜、钴、镓或铁处理两小时而受到影响，这表明 fpnA 在烟曲霉中是组成型表达的。同时，实验也证实了 xylose 诱导 fpnA 表达，且诱导表达的菌株中 fpnA 转录水平更高，进一步说明 FpnA 介导的金属抗性可通过提高 fpnA 表达来增强。
4. FpnA 定位于液泡膜：利用荧光显微镜观察 Venus 标记的 FpnA，发现其定位于液泡膜。结合与人类 Fpn1 相同的运输方向推测，FpnA 很可能通过将细胞质中的底物金属转运到液泡腔中来实现解毒。
5. fpnA 过表达降低尿素作为唯一氮源的利用：研究人员发现，过表达 fpnA 的菌株在以尿素为唯一氮源的培养基上生长受到抑制，而补充镍后可恢复生长。这是因为 FpnA 过表达会导致液泡中镍沉积增加，使细胞质中的脲酶缺乏关键辅因子镍，从而降低了脲酶活性，影响了尿素的利用。同时，研究还发现镍是脲酶活性的限制因素，且 fpnA 过表达对以谷氨酰胺为氮源的培养基上的生长没有影响，说明 FpnA 除了镍之外，不运输对细胞功能至关重要的其他金属。
6. FpnA 在真菌王国中高度保守：系统发育分析表明，FpnA 不仅在真菌的各个门中保守，在其他真核生物谱系和细菌的部分类群中也存在。这说明 FpnA 在不同的生态环境中可能发挥着重要作用。而且，通过结构预测发现，烟曲霉 FpnA 与人类 Fpn1 结构高度相似，但在某些蛋白结构域上存在差异，这些差异可能与它们功能的不同有关。

综合研究结果和讨论部分，此次研究意义重大。研究人员首次明确了烟曲霉 FpnA 的功能，它在烟曲霉应对镍、钴和镓等金属毒性方面发挥着关键作用，通过将这些金属转运到液泡中进行解毒，维持细胞内的金属稳态。尽管在一些研究较多的真菌中不存在 FpnA 同源物，但它在整个真菌王国以及其他真核生物谱系中广泛存在且高度保守，这暗示着 FpnA 在不同生物的进化过程中可能有着共同的起源和重要的生物学功能。此外，FpnA 在结构上与人类 Fpn1 既有相似性又存在差异，这种差异为进一步理解不同生物中金属转运蛋白的功能演化提供了线索。从应用角度来看，真菌在生物修复、金属纳米颗粒合成和生物采矿等领域具有巨大潜力，而 FpnA 作为一个能够显著影响烟曲霉对特定金属抗性的蛋白，有望成为提升这些生物技术策略效率的重要靶点，为未来相关领域的发展提供了新的思路和方向。