鲍曼不动杆菌和铁离子及铁离子转运系统

徐 晓， 许 巍

鲍曼不动杆菌是一种机会致病菌，主要感染重症患者及免疫力低下人群。鲍曼不动杆菌与其他革兰阴性病原体相比感染率较低，但在全球范围内，约有45%该菌分离株具有多重耐药性，拉丁美洲和中东地区的多重耐药率高达70%。并且鲍曼不动杆菌的多重耐药率比其他革兰阴性病原体（如铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌）高出近4倍[1]。在重症监护室（ICU）鲍曼不动杆菌感染相关病死率高达45%～60%[2]。目前所用的抗菌药物，如抗假单胞菌头孢菌素、氟喹诺酮类、氨基糖苷类、碳青霉烯类和替加环素对该菌的作用有限。因此需要深入了解细菌的毒力因子和耐药机制，找寻新的可替代的治疗方法。铁离子是鲍曼不动杆菌生长所必须的金属离子，铁的吸收能增强菌株的致病性和毒力，细胞内铁离子浓度低于10-6mol/L时称为铁饥饿现象[3]，不利于细菌生存，人体内游离铁离子浓度通常不能满足细菌生长需求，为了抵抗这种恶劣坏境，细菌衍生出了许多直接或者间接的机制来获取铁离子。在鲍曼不动杆菌中，可以通过亚铁离子转运（Feo）系统攫取Fe2+，也可在高亲和力螯合剂帮助下攫取铁离子，或者通过分泌一种摄取血红素的蛋白来间接攫取铁，有研究显示，在低铁条件下，鲍曼不动杆菌会修饰一系列铁离子相关基因以及生物膜形成、呼吸、动力等相关过程的基因表达来抵抗低铁环境，因此铁离子是鲍曼不动杆菌生存与毒力作用的因素之一[4]。如果能从机制入手，研发出相关药物或者疫苗，彻底破坏鲍曼不动杆菌对铁的获取，使得菌体缺乏必须的营养元素，从而有效阻止细菌生长。本文主要综述几种重要的铁转运机制及其相关应 用。

1 Fe3+载体

鲍曼不动杆菌为需氧革兰阴性杆菌，铁离子的获取主要依靠铁载体和血红素的主动转运。在鲍曼不动杆菌中铁载体主要有三种：不动杆菌素（acinetobactin）、丝膜蛋白（fimsbactin）、鲍曼铁蛋白（baomannoferrion）。不动杆菌素[5]和丝膜蛋白A-F[6]首次报道于1994和2013年，经过非核糖体肽合成酶（nonribosomal peptide synthetase，NRPS） 生物合成装配路径（biosynthetic assembly line）产生，鲍曼铁蛋白A/B首次报道于2015年[7]，由枸橼酸、1，3-二氨基丙烷、2，4-二氨基丁酸、癸烯酸和α-酮戊二酸组成，合成路径为NRPs-非依赖性铁载体合成酶（NIS）生物合成路径（NRPS-independent siderophore synthetase biosynthetic process），三种载体一般不共存于一种菌株上，很多鲍曼不动杆菌菌株缺乏丝膜蛋白。

前不动杆菌素通过非酶促反应异构化生成不动杆菌素，pH＜6时，以前不动杆菌素形式存在，pH＞7时，异构化生成不动杆菌素。Shapiro等[8]通过对晶体结构模型的研究发现不动杆菌素可以以2∶1的比例与铁离子结合，生成[Fe ( Acb )2]-1复合物，前不动杆菌素也可以与铁离子以2∶1结合，生成 [Fe ( PreAcb )2]，丝膜蛋白和鲍曼铁蛋白则以1∶1比例与铁离子结合[8-10]。BauA、BauB是将铁离子载体复合物转运进入细菌体内的重要蛋白质类物质，BauA具有典型的外膜TonB依赖性转运蛋白折叠，其中β-barrel由22条反平行链，数个胞外环和折叠在桶内的塞结构域（plug domain）形成[11]；BauB结构是典型的A类底物结合折叠，中心α-螺旋跨越较小的N-和C-末端结构域，疏水性残基介导配体结合在两个结构域之间的中央口袋中[9]。铁离子载体复合物通过BauA转运进入周质中，再通过铁载体结合蛋白BauB，前不动杆菌 素 /不动杆菌素载体复合物形成后被BauA特异性识别继而呈递给BauB，BauB再将载体复合物呈递给ABC转运系统（BauCDE），在ABC转运系统帮助下通过内膜，最后在BauF的帮助下释放铁离子，在这个过程中，能量由TonB-ExbB-ExbD系统提 供。

在酸性条件下载体以前不动杆菌素形式存在，已被证实在中性至碱性条件下前不动杆菌素可转化为不动杆菌素，但是在进入过程仍然存在一些争议，有研究认为2个分子不动杆菌素/前不动杆菌素都可以与Fe3+形成载体复合物，经过相同通路进入菌体内[8]，但也有研究通过对BauA功能结构域的分析，发现BauA特异性识别的是前不动杆菌素，并且在碱性条件下，由1个分子不动杆菌素和1个分子前不动杆菌素共同与Fe3+结合形成载体复合物[11]，有研究表明在铁限制条件下，丝膜蛋白铁载体复合物和不动杆菌素铁载体复合物均能促进细菌生长，在BauB上也发现了相对应的功能结构域，但是二者同时存在时却会竞争结合周质蛋白BauB，抑制细菌生长，而且不动杆菌素通常都存在于鲍曼不动杆菌体内。因此，利用丝膜蛋白的结构特点设计出靶点药物，为对抗鲍曼不动杆菌提供了一种新思路[10]。

针对不动杆菌素，在其他细菌的研究上证实不动杆菌素和前不动杆菌素都是通过相同的途径进入菌体内，并且在鲍曼不动杆菌的BauB上也有分别的功能结构域与之相结合作用，但是是否都是通过BauA进入，是否存在其他载体蛋白，或结构发生了变化等，未来需要更多相关研究。

2 Feo系统

在氧气充足、pH值中性的情况下，Fe3+是铁的主要存在形式，但是在低氧酸性条件下主要以Fe2+的形式存在，比如人的胃肠黏膜等部位。Feo系统是另一铁转运系统，负责在低氧偏酸条件下鲍曼不动杆菌对Fe2+的吸收，后陆续发现福氏志贺菌、幽门螺杆菌、产气荚膜杆菌亦可以Fe2+吸收为主要获取方式[12-13]。

Feo系统包含三个部分，分别是FeoA、FeoB、FeoC。FeoA是一种小的β桶蛋白，对于鲍曼不动杆菌的生长、黏附、生物膜的形成不可或缺，在小鼠肺炎模型中发现，敲除feoA基因会减弱细菌的生长、定植、感染等能力，对氧化应激更加敏感，降低整体毒力作用[14]；FeoB是具有可水解GTP的可溶性G蛋白结构域的多组分膜蛋白[15]，是Fe2+主动转运的通道，研究显示在福氏志贺菌、幽门螺杆菌、产气荚膜杆菌等菌株中出现FeoB基因突变，会造成Fe2+摄取障碍，毒力降低[13，16]，Subashchandrabose等[17]研究发现，与野生型菌株相比较，在FeoB突变菌株中，抗菌肽对人血清补体和多黏菌素B的敏感性增加；FeoC是一种小的胞质蛋白，作为转录调控子调控表达[18]。

迄今，Fe2+在鲍曼不动杆菌中的利用机制仍然存在很多疑问，比如FeoB是如何水解GTP，Feo系统这三个部分如何协作运转，FeoA、FeoB、FeoC三者之间的关系仍旧不清楚，仅在霍乱弧菌实验中发现了FeoB和FeoC之间可能存在相互作用[19]。

3 其他

除了上述的模式，还有一种就是细菌通过直接获取宿主体内含血红素的蛋白来间接获取铁[20]，是一种主动转运的过程，同样依赖于TonBExbB-ExbD的能量转换供给。菌体先利用分泌出的血团结合含血红素蛋白，再与外膜表面受体结合，在ABC系统帮助下穿过内膜，进入菌体释放出铁离子。在这一途径中表达数种血红素相关的酶，其中血红素加氧酶基因（heme oxygenase gene，hemo）研究较多。在19种暴发流行的鲍曼不动杆菌中都发现了含有hemo基因的基因簇[21]。对血红素的利用增强菌株毒力作用。有研究表明高毒力暴发性鲍曼不动杆菌菌株LAC感染小鼠后，对血红素的摄取和利用主要取决于hemo基因簇的表达，缺乏hemo基因簇的ATCC 17987菌株则不能利用血红素[22]。

4 应用

2017年，世界卫生组织将鲍曼不动杆菌列为严重危害人类健康的一级细菌，呼吁大家共同解决相关问题。临床上尝试应用多种抗生素，仍未取得显著效果。铁离子作为鲍曼不动杆菌生存所必须的物质，引起人们极大关注。目前科研工作者们已经开始探索一些螯合剂，如去铁胺、去铁铜等对鲍曼不动杆菌的影响，它们的最低抑菌浓度为32 mmol/L和64 mmol/L[23]。镓类化合物中硝酸镓对鲍曼不动杆菌ATCC 17978具有抑制作用，但是对LAC-4型鲍曼不动杆菌没有任何作用，在一项肺炎小鼠模型中显示镓原卟啉Ⅸ（GaPPⅨ）能完全阻断LAC-4型鲍曼不动杆菌中的Hemo途径，菌株失去对硝酸镓的耐受性和在血清中的生长优势，更重要的是，用GaPPⅨ处理经鼻内感染LAC-4的小鼠可防止肺外传播和死亡[24]；还有研究表明抗生素和载体螯合剂的联合应用，比如达托霉素和铁载体模拟物[25]除了铁载体，在机制通路上任何一个环节都有可能成为抗菌药物研发的突破口，TonB-ExbB-ExbD在铁载体和血红素摄取上都起到能量转换供给的作用，其中对于TonB的了解甚少。研究发现，TonB1、TonB2对Fe3+的摄取作用不大，但是TonB3的存在是Fe3+摄取所需的必备条件，并且在小鼠和昆虫感染模型中发现与鲍曼不动杆菌的毒力作用以及致病性密切相关，因此或可通过TonB3研发出相关减毒疫苗[25-26]，还有研究显示利用BauA的功能结构域，或可研发出相关免疫原候选[27]。

鲍曼不动杆菌耐药问题亟待解决，目前缺乏根治性方案，金属离子中比如铁离子作为鲍曼不动杆菌生长发育过程中不可或缺的部分，引起人们关注。铁离子参与细菌内众多的生化反应，并与生物膜的形成、外排泵的调控等都有不可或缺的关系，是造成细菌毒力以及致病性的重要因素之一，在低铁条件下，铁调节相关基因转录表达增强[4，28]；在鲍曼不动杆菌菌血症基因表达分析中，557个蛋白质编码基因表达下调，329个上调，其中上调最明显的就是铁载体基因簇[29]。通过RNA测序分析了来自8例患者的多重耐药菌株的纵向集，以鉴定差异表达的基因，并将其与导致患者和人群内转录变异的遗传变化联系起来，经过分析，发现宿主感染期间菌株会发生遗传变异，新突变株通常富含编码转录调节因子铁的基因采集系统以及与表面相关的结构[30]。有研究表明，在临床ICU收集到的65株多重耐药鲍曼不动杆菌，低铁（＜20 μmol/L）条件下，外排泵aAdeABC的表达会增加四倍以上[31]，酰基高丝氨酸内酯和生物膜形成也会增加[32]。铁离子的攫取依靠载体等进行，如果可以在任何一个环节造成细菌铁离子的攫取障碍，就能一定程度上攻破鲍曼不动杆菌这一难题。目前对于铁离子攫取机制的研究仍然有限，尤其对鲍曼铁蛋白、丝膜蛋白、血红素摄取、Feo系统都不够了解，由于铁摄取系统的多样性，不同生理条件下状态的不同，均提示单独研究其中一点的效果不会很理想，未来需要更加全面、详细的研 究。