Putative Iron-Sulfur Proteins Are Required for Hydrogen Consumption and Enhance Survival of Mycobacteria

推定的鐵硫蛋白是氫消耗所必需的并增強分枝桿菌的生存

來源：Frontiers in Microbiology, volume 10, article 2749, November 2019

《微生物學前沿》，第10卷，文章編號2749，2019年11月

 

摘要

這篇論文研究了好氧土壤細菌通過氧化大氣分子氫（H2）來維持持久存在的機制，重點關注Mycobacterium smegmatis中的兩種[NiFe]-氫化酶Huc和Hhy。摘要指出，大氣H2氧化是生物地球化學氫循環的主要匯，支持貧營養生態系統的生產力。在M. smegmatis中，H2氧化由Huc（group 2a）和Hhy（group 1h）氫化酶催化，但電子傳遞機制尚不明確。研究通過遺傳方法證實，氫化酶操縱子上編碼的推定鐵硫蛋白HucE和HhyE是H2消耗所必需的。序列分析顯示這些蛋白雖同源但屬不同系統發育分支，具有不同金屬結合 motif。缺失這些基因會減少或消除H2氧化，并輕微但顯著降低生長產量和長期生存。生化和表型分析表明，缺失這些蛋白的突變體與氫化酶結構亞基突變體相似。作者假設這些蛋白介導電子從氫化酶到呼吸鏈 menaquinone 池的傳遞，但其他角色（如成熟）也可能。這些蛋白的保守性表明它們是大氣H2氧化的重要決定因素。

 

研究目的

研究目的是確認推定鐵硫蛋白HucE和HhyE在M. smegmatis氫氣消耗中的作用，并探討它們對細菌生長和生存的影響，以解析氫化酶電子傳遞機制。

 

研究思路

研究思路是使用等位基因交換誘變生成hucE和hhyE基因的標記缺失突變體（包括單突變和雙突變），并通過互補實驗恢復基因功能。然后，使用氫氣電極測量 whole cell 的氫氣氧化速率，通過活性染色（zymography）檢測氫化酶活性，進行生長曲線和長期生存實驗評估表型變化。此外，進行序列和系統發育分析以研究HucE和HhyE的保守性和進化關系。所有實驗與野生型菌株和氫化酶結構亞基突變體進行比較，以確定這些蛋白的功能重要性。

 

測量的數據及研究意義

1 氫氣氧化速率數據來自圖2，使用丹麥Unisense H2微傳感器電極測量。研究意義是直接量化突變體對氫氣的消耗能力，顯示缺失HucE或HhyE顯著降低氧化速率，雙突變則完全消除活性，證實這些蛋白是氫氣氧化所必需的，并支持它們在電子傳遞中的核心作用。

 

2 氫化酶活性染色數據來自圖3，通過 native PAGE 和 nitroblue tetrazolium 染色檢測。研究意義是可視化氫化酶活性，顯示缺失HucE或HhyE導致活性條帶消失，互補實驗恢復活性，驗證這些蛋白對氫化酶功能不可或缺，且與結構亞基缺失表型一致。

 

3 生長和生存數據來自圖4，包括生長速率、生長產量和21天生存率。研究意義是評估突變體的生理影響，顯示缺失HhyE或雙突變降低生長產量和生存率，表明氫氣氧化貢獻于能量代謝和長期持久性，但缺失HucE影響較小，提示功能差異。

 

4 序列和系統發育分析數據來自圖1，包括 motif 分析和進化樹。研究意義是揭示HucE和HhyE的保守域和系統發育關系，支持它們與特定氫化酶類型的關聯，并推斷其在多種細菌中的廣泛功能角色。

 

 

結論

論文得出結論，HucE和HhyE是M. smegmatis中氫氣氧化和氫化酶功能所必需的蛋白，缺失這些蛋白會完全消除H2消耗能力，并損害生長和生存。這些蛋白可能作為電子傳遞介質，將電子從氫化酶催化亞基傳遞到呼吸鏈 menaquinone 池，但也可能參與氫化酶成熟或結構穩定。它們的保守性 across hydrogenase-encoding organisms 表明它們是大氣H2氧化機制的關鍵組成部分，為理解細菌能量代謝和生態持久性提供了新見解。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense H2微傳感器電極測量的數據是氫氣濃度變化，用于計算氫氣氧化速率。研究意義在于提供高精度和實時監測 of H2 consumption in microrespiration assays，確保實驗數據的準確性和可重復性。電極通過極化校準，能檢測低濃度氫氣變化，這對于研究大氣水平H2氧化至關重要。測量結果直接驗證突變體對氫氣代謝的影響，支持遺傳學結論，并強調HucE和HhyE在電子傳遞中的必要性。這種技術可靠性增強了研究結論的可信度，為分子機制探索提供了堅實的數據基礎。