Involvement of formate dehydrogenase in stationary phase oxidative stress tolerance in Escherichia coli
- 作者
- Yumi Iwadate, Noriyuki Funabasama, Jun-ichi Kato
- 单位
- Department of Biological Sciences, Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Metropolitan University, 1-1 Minamiohsawa, Hachioji, Tokyo 192-0397, Japan
- 杂志
- FEMS Microbiology Letters（2017）
- DOI
- 10.1093/femsle/fnx193
- 所属领域
- 微生物生理学
- 关键词
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解决的核心问题
在稳定期微好氧条件下，大肠杆菌在含葡萄糖培养基中如何通过甲酸脱氢酶耐受氧化应激并维持存活。
研究策略
通过构建多种基因缺失突变株（如ΔselAB、ΔFDHs、ΔfdhD等）和过表达FdoH/FdoI，结合menadione敏感性测定和稳定期存活率分析，研究甲酸脱氢酶在氧化应激耐受中的作用。
核心内容
该研究以大肠杆菌MG1655为对象，探讨甲酸脱氢酶在稳定期微好氧含葡萄糖条件下氧化应激耐受中的作用。通过构建多种基因缺失突变株并测定其对甲萘醌的敏感性和稳定期存活率，发现ΔFDHs突变体在含葡萄糖微好氧条件下存活率较野生型降低约100倍，其中FDH-H和FDH-O贡献最为显著：ΔFDH-OΔFDH-H存活率降低285.6倍，而缺失FDH-N或FDH-O的菌株仅降低4倍左右。进一步分析显示FDH-O具有不依赖fdhD和脱氢酶活性的新功能，其电子传递亚基FdoH/FdoI过表达可显著提高ΔfdhD ΔFDHs菌株的甲萘醌耐受性和稳定期存活。研究提出FDH-O通过电子传递平衡调节还原当量处理、降低内源活性氧产生的机制，揭示了甲酸脱氢酶在稳定期存活中的非催化功能，为理解细菌氧化应激适应性提供了新视角。
创新点
发现FDH-O具有不依赖于fdhD和脱氢酶活性的新功能，其电子传递亚基FdoH/FdoI过表达可增强menadione耐受和稳定期存活；提出通过电子传递平衡降低内源活性氧产生的机制。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli MG1655 | 甲酸代谢 | selA | Selenocysteine synthase | 催化 | 硒代半胱氨酸合成酶，为甲酸脱氢酶活性所必需 |
| Escherichia coli MG1655 | 甲酸代谢 | selB | Selenocysteyl-tRNA-specific translation elongation factor | 调控 | 参与硒代半胱氨酸掺入，影响甲酸脱氢酶翻译 |
| Escherichia coli MG1655 | 甲酸代谢 | fdhD | FdhD sulfur transferase | 催化 | 硫转移酶，对甲酸脱氢酶活性必需 |
| Escherichia coli MG1655 | 甲酸代谢 | fdhF | FDH-H | 催化 | 甲酸脱氢酶H，甲酸氢解酶组分，参与menadione耐受 |
| Escherichia coli MG1655 | 甲酸代谢 | fdnGHI | FDH-N | 催化 | 甲酸脱氢酶N，硝酸盐呼吸诱导，对表型影响较小 |
| Escherichia coli MG1655 | 甲酸代谢 | fdoG | FdoG | 催化 | FDH-O的α催化亚基，缺失导致存活率降低130倍 |
| Escherichia coli MG1655 | 呼吸链/电子传递 | fdoH,fdoI | FdoH,FdoI | 能量供给 | FDH-O的β和γ电子传递亚基，过表达可提高menadione耐受和稳定期存活 |
| Escherichia coli MG1655 | 呼吸链 | nuoA-N | NADH dehydrogenase I | 能量供给 | 呼吸链复合物I，参与FdoH/FdoI过表达引起的耐受性增强 |
| Escherichia coli MG1655 | 氧化应激防御 | sodB | Superoxide dismutase B | 催化 | 超氧化物歧化酶，其缺失降低menadione耐受和稳定期存活 |
关键发现
- Δ5菌株比Δ4对menadione更敏感
- ΔselAB和ΔFDHs突变体menadione敏感性显著升高
- 在微好氧含葡萄糖条件下，ΔFDHs和ΔfdhD ΔFDHs菌株稳定期存活率较野生型低约100倍，ΔfdhD仅低4倍
- ΔFDH-OΔFDH-H菌株存活率降低285.6倍，而ΔFDH-HΔFDH-N和ΔFDH-NΔFDH-O分别仅降低4.0倍和3.4倍
- 在ΔfdhD背景下，ΔfdhDΔFDH-HΔFDH-N存活率相对ΔfdhD降低4.9倍，ΔfdhDΔFDH-NΔFDH-O降低31.3倍
- FDH活性测定显示ΔFDH-HΔFDH-N活性为1.02±0.03 U/mg，而ΔfdhDΔFDH-HΔFDH-N活性<0.02 U/mg
- 过表达fdoHI可提高ΔfdhD ΔFDHs菌株的menadione耐受和稳定期存活。
研究结论
甲酸脱氢酶（特别是FDH-H和FDH-O）参与大肠杆菌在微好氧含葡萄糖条件下稳定期的氧化应激耐受和存活，其中FDH-O具有不依赖脱氢酶活性的电子传递功能，该功能通过调节还原当量处理抑制内源ROS产生，对稳定期存活至关重要。