本文要点

研究背景与设计

针对非伤寒沙门菌在宿主缺氧与氧化应激下定植机制不明的问题，小鼠感染模型及生化分析揭示了三类新型胞外硫酸盐还原酶的功能与催化机制。

核心发现与意义

沙门菌Xsr1A、Xsr2A和Xsr3A硫酸盐还原酶通过特有的[4Fe–4S]簇依赖性催化机制同化硫酸盐并生成H2S，驱动病原体在宿主肠道及系统性感染中的氧化应激抵抗。

感染表型

缺失全部四个dmsA旁系同源基因的突变株在口服及腹腔感染小鼠模型中定植能力显著下降，而该缺陷在缺乏吞噬细胞NADPH氧化酶的Cybb−/−小鼠及巨噬细胞中得到完全恢复。

酶学特性

定位分布于周质的Xsr酶其硫酸盐还原活性完全不依赖经典钼辅因子及保守丝氨酸残基，电子顺磁共振波谱证实硫酸盐特异性氧化该酶的[4Fe–4S]簇以完成催化。

代谢通路

Xsr介导的硫酸盐还原促使亚硫酸盐及H2S生成，外源补充亚硫酸盐或H2S显著逆转了突变株对H2O2的敏感性及生长缺陷，并恢复了NADH脱氢酶I与谷氨酸合酶活性。

进化分布

系统发育树分析提示Xsr同源序列广泛存在于变形菌门、厚壁菌门及古菌中，提示不依赖钼辅因子的[4Fe–4S]催化模式代表了MopB超家族中古老且可塑的进化模块。

核心关键词

沙门氏菌、硫酸盐还原酶、肠道定植、氧化应激、NADPH氧化酶、氧化应激抵抗

科普解读

在人体肠道深处，非伤寒沙门氏菌面临着一个棘手的生存难题——缺氧。作为偏好氧气的兼性厌氧菌，它必须在肠道细胞和免疫细胞吞噬体制造的局部低氧环境中，找到替代的电子受体来维持能量代谢。

发表在Nature Microbiology上的一项最新研究中，科罗拉多大学医学院的Andrés Vázquez-Torres团队揭示了一个全新的解决方案：沙门氏菌动用了一组独特的胞外硫酸盐还原酶，帮助其在肠道和内脏中站稳脚跟，同时抵御宿主免疫系统的氧化攻击。

一个被忽视的基因家族浮出水面

沙门氏菌的基因组中，编码着多个属于MopB超家族的DMSO还原酶同源基因。此前，研究团队已发现经典的DmsABC酶复合体不仅能还原DMSO，还能分解宿主活性氧产生的蛋氨酸亚砜，帮助细菌抗氧化。但基因组中还有四个功能未知的dmsA旁系同源基因，它们为何存在？这是驱动这项研究的核心问题。

研究团队通过构建基因缺失突变株，在小鼠模型中进行竞争性感染实验。结果令人惊讶：缺失所有四个旁系同源基因的沙门氏菌，在肠道定植和全身扩散方面均显著减弱。无论是在正常小鼠还是经链霉素处理后肠道菌群失调的小鼠中，这一现象都存在。

更有趣的是，当研究人员在缺失吞噬细胞NADPH氧化酶的小鼠中重复实验时，突变株的毒力缺陷居然消失了。这表明，这些基因的产物直接参与了对抗宿主呼吸爆发产生的氧化压力。

一种全新的硫酸盐催化机制

为了弄清这些基因的生化功能，团队进行了系统的底物筛查。经典的DmsABC能用DMSO或蛋氨酸亚砜进行无氧呼吸，但这些旁系同源基因的缺失株却依然能正常利用这些底物——它们显然另有所好。一个关键线索出现在MOPS-葡萄糖培养基中：突变株生长异常缓慢，而这种培养基的唯一硫源是硫酸盐。

顺着这一线索，研究人员通过膜组分酶活测定，首次确认这些基因编码的是此前未知的硫酸盐还原酶。它们位于细胞膜上，通过双精氨酸转运系统分泌到周质空间，并从醌池中获取电子。团队将这些新发现的酶系统命名为Xsr1、Xsr2和Xsr3。

然而，真正颠覆认知的发现还在后面。DMSO还原酶家族的催化核心依赖钼辅因子，其中钼原子与一个保守的丝氨酸残基配位，是催化活性的关键。研究团队构建了该丝氨酸位点的突变，并测试了缺失钼辅因子合成基因的菌株。结果是双重的：经典DmsA的DMSO还原活性完全丧失，但Xsr1、Xsr2和Xsr3的硫酸盐还原能力却丝毫不受影响。

那么，这些酶靠什么催化？研究团队将目光转向了催化亚基A中唯一的其他氧化还原中心——[4Fe-4S]铁硫簇。电子顺磁共振波谱实验给出了决定性证据：当加入硫酸盐底物时，Xsr3A的铁硫簇信号被特异性氧化，而DmsA的铁硫簇对硫酸盐毫无反应。进一步破坏铁硫簇配位环境的突变，则直接废除了硫酸盐还原酶活性。这表明，Xsr酶家族采用了一种独立于钼辅因子、完全依赖铁硫簇的催化新范式。

硫同化如何助力细菌抗氧

与经典的硫酸盐还原途径不同，这些胞外酶并不直接产生ATP。研究显示，它们的主要贡献在于硫同化作用——将硫酸盐还原为亚硫酸盐，进而合成硫化氢。缺失所有Xsr酶的沙门氏菌，其胞内硫化氢水平大幅下降，同时对过氧化氢的杀伤变得极度敏感。

研究团队进一步发现，硫化氢的匮乏会间接影响铁硫簇蛋白的合成。突变株中，含有多达9个铁硫簇的NADH脱氢酶I活性显著降低，依赖铁硫簇的谷氨酸合酶功能也受损。当研究人员外源补充硫化氢或过表达半胱氨酸脱硫酶时，突变株的过氧化氢耐受性得到了完全恢复。研究团队推测，这一硫同化通路对于非伤寒沙门氏菌应对宿主吞噬细胞产生的氧化应激，可能具有无法替代的价值。

进化树上的奥秘

这项发现提出了一个更宏大的问题：这种钼辅因子非依赖的催化模式，是沙门氏菌的独门绝技，还是MopB超家族中广泛存在的进化灵活性？通过对3324个MopB催化亚基进行系统发育分析，研究团队发现，Xsr酶所在的DmsA_EC亚家族广泛分布于细菌和古菌的多个门类中，其最早的辐射分化可追溯至古元古代大氧化事件之前。分析还揭示，铁硫簇配位模式的多样性在不同演化分支中随机分布，提示这种催化重塑可能是MopB超家族中反复出现的进化主题。

这项研究不仅揭示了沙门氏菌在宿主肠道环境中获取硫元素的新策略，更拓展了我们对MopB超家族催化多样性的认知边界。一个存在了数十亿年的古老酶家族，在病原菌与宿主免疫系统的军备竞赛中，被演化雕琢出了新的生存利器。

图片摘要

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原文链接

https://rbase.chinagut.cn/base/article/f3c50d913ce6485f984abbacc0775d76