铁是一种金属，也是一切细胞生物生存所必需的一种物质。“缺铁”就必须“补铁”，这是大家早已通过广告熟悉的道理。然而凡事过犹不及，铁对于生物而言也是一把“双刃剑”：缺铁固然不妙，但如果细胞内铁离子浓度过高，反而会激发活性氧和超氧化物对细胞的损伤，具有较强的毒害作用。因此，生物进化出了感知铁浓度高低的精密机制，用于调节细胞内的铁平衡。这也是目前生物化学研究的前沿科学问题之一。在中科院战略性先导专项、国家自然科学基金和青促会经费的支持下，中科院微生物所植物基因组学国家重点实验室钱韦（青促会会员）等研究人员发现细菌细胞表面的受体能够感知胞外铁匮乏。相关研究发表在“公共图书馆－病原”（PLoS Pathogens, 2016, doi: 10.1371/journal.ppat.1006133）

在十字花科蔬菜黑腐病的病原－野油菜黄单胞菌中，一个称为VgrS-VgrR的分子系统承担着探测细胞内、外铁离子浓度的核心功能。VgrS-VgrR属于细菌的双组分信号转导系统，此类系统在细菌中扮演着类似人类“智商（IQ）”的生物学功能，能够感知外界环境刺激并控制细胞产生适应反应。其中，VgrS是一个位于细菌细胞膜上，发挥外界信号探测功能的受体组氨酸激酶。当细菌生存于铁离子匮乏的环境中时，会激活VgrS的激酶活性，并将细胞内的VgrR蛋白磷酸化。被磷酸化后的VgrR蛋白能够控制数十个转运铁元素相关基因的表达，从寄主体中“争抢”宝贵的铁资源。有趣的是，在这个过程里，VgrR必须严格抑制一个细菌外膜通道蛋白（TdvA）的表达，否则这个“任性”的自身通道蛋白会严重干扰细菌对铁的吸收过程，关闭其表达才能使细菌正常感染植物。

然而，当病原细菌从寄主植物或环境中“吃进”过多的铁，铁离子浓度积累到可能产生毒害作用时，细胞内过多的二价铁离子又会特异地结合到VgrR蛋白上，阻止其继续调控铁吸收相关基因的表达，同时解除对TdvA蛋白编码基因表达的抑制，驱使细菌停止吸收铁离子。因此，这项研究发现：野油菜黄单胞菌在适应铁匮乏环境时具有精细的“供给侧”统筹协调能力：首先，它能利用VgrS感知细胞外铁匮乏环境，启动对铁离子的吸收，其次，在铁含量过高时它又能利用VgrR感知细胞内高浓度的铁，停止泵入更多的铁。在VgrS-VgrR双组分信号转导系统的管控下，野油菜黄单胞菌得以审慎地利用寄主植物体内的铁元素，成功完成感染。这项研究已发表在PLoS Pathogens上。

成果链接：http://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1006133

图1. 细菌的“IQ”（VgrS-VgrR系统）感知细胞内外铁离子浓度的分子过程