钙卫蛋白在阻断病原体存活中起关键作用

金黄色葡萄球菌和人类白细胞。图像：国立卫生研究院

麻省理工学院的一项新研究揭示了人钙卫蛋白可防止入侵病原体获取铁的过程。

入侵的微生物病原体必须从其宿主生物中清除必需营养素才能生存和复制。为了保护自己免受感染，寄主试图阻止病原体获取这些营养素。

现在，麻省理工学院的研究人员已经发现钙卫蛋白在这种过程中起着至关重要的作用，被称为“营养免疫”。在今天发表在《自然化学生物学》上的一篇论文中，研究人员描述了人钙卫蛋白防止入侵病原体获取铁（一种极为重要的营养素）的过程。

麻省理工学院化学副教授伊丽莎白·诺兰（Elizabeth Nolan）说，过渡金属离子，例如铁，锌和锰，对于所有生物都是必不可少的。

Nolan说：“在宿主与病原体相互作用的背景下，入侵微生物需要从宿主获取这些营养金属离子。”她说：“这是一个挑战，因为宿主试图通过多种策略限制感染过程中金属离子的利用率。”

广泛的抗菌作用

一种这样的策略是使用与金属离子螯合或结合的蛋白质，从而将其带离病原体的范围。

先前的研究已经确定钙卫蛋白可以隔离锌和锰。诺兰说，尽管这些营养素很重要，但它们本身并不能完全解释钙卫蛋白的广谱抗菌作用，因为不同的生物对金属离子的需求不同。

因此，诺兰和她的同事开始研究这种蛋白质是否也能够螯合铁。

研究人员首先将钙卫蛋白添加到含有金属离子的细菌生长培养基中，以确定它会结合哪些金属以及在什么条件下结合。他们发现蛋白质确实确实从培养基中消耗了铁，并且培养基中过量钙的存在导致铁的消耗大大增加。

这种钙的作用与研究人员以前的工作相吻合，研究人员先前的研究表明，当存在钙时，蛋白质会“变形”为更有效的锌和锰离子清除剂。

诺兰说：“钙将钙卫蛋白转化为一种更容易螯合铁的形式，因此以更高的亲和力与铁结合。”

与清除锌和锰不同，研究人员观察到钙卫蛋白螯合铁的能力还取决于还原剂β-巯基乙醇（BME）的存在。

该观察结果表明该蛋白质优先清除亚铁或铁（II）。这是因为还原剂BME将使铁保持在铁（II）的氧化态。

“在钙和BME的存在下，我们发现培养基中的总铁减少了约30倍，”诺兰说。她说：“因此，这表明钙卫蛋白在螯合铁（II）方面非常有效，而且其方式取决于钙离子的存在。”

细菌生长受阻

然后研究人员将细菌添加到钙卫蛋白处理过的培养基中，以确定铁浓度的降低对入侵病原体的影响。他们发现，所有细菌的生长都由于缺乏有效的铁而受到抑制。

然后，它们将金属离子替换回介质中。他们发现，只有将铁添加到培养基中后，革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌）才能重新生长。的确，诺兰说，仅添加铁就足以使某些革兰氏阴性细菌完全康复。

她说，在革兰氏阳性细菌如金黄色葡萄球菌的情况下，微生物需要铁，锰和锌的混合物才能显示出最大的生长恢复率。

诺兰说：“数据表明钙卫蛋白螯合铁的能力对革兰氏阴性生物的生长具有重大影响。”她说：“螯合铁还有助于抑制革兰氏阳性生物的生长，但是我们不仅需要添加铁，还需要添加更多铁，以使它们得以恢复。”

当研究人员向含有放射性同位素铁55的生长培养基中添加钙卫蛋白和细菌时，他们能够观察到蛋白质的存在阻止了微生物获取金属。

最后，研究人员进行了生化和光谱分析，后者是与宾夕法尼亚州立大学化学，生物化学和分子生物学教授卡斯滕·克雷布斯（Carsten Krebs）合作进行的，以表征钙卫蛋白的铁（II）结合位点。他们发现钙卫蛋白使用异常的六组氨酸基序结合铁（II）。

诺兰说，这项研究提出了一种模型，通过该模型可以将钙卫蛋白安置在细胞的细胞质中，利用钙浓度的变化来调节其金属螯合功能。

她说：“在静止状态下，钙离子的浓度较低（在细胞质内），但是当钙卫蛋白释放到感染部位的细胞外空间时，钙的浓度要高几个数量级。”“钙卫蛋白随后与钙结合并转化为其高亲和力形式，从而使其能够隔离微生物中的金属。”

诺兰说，这项研究可能有助于开发方法来增强免疫系统的金属离子保留反应，从而对抗细菌感染。

印第安纳大学化学教授戴维·吉德罗克（David Giedroc）并未参与这项研究，该研究强调了钙卫蛋白的多功能性。

Giedroc说：“钙卫蛋白在社区中被视为钙激活的锰和锌结合蛋白，钙卫蛋白在营养免疫中的所有生理作用以前仅归因于这两个重要的过渡金属离子的保留。” 。

他说：“这项新工作首次明确地证明了[钙卫蛋白]具有结合铁（II）的能力，并且这种活性似乎对于抑制各种细菌性病原体的生长很重要。”