Mycobacteria Tolerate Carbon Monoxide by Remodeling Their Respiratory Chain

分枝桿菌通過重塑呼吸鏈來耐受一氧化碳

來源：mSystems  May/June 2021 Volume 6 Issue 3 e01292-20

 

1. 摘要核心內容

 

本研究揭示了恥垢分枝桿菌（Mycobacterium smegmatis）耐受高濃度一氧化碳（CO）的分子機制：

 

高CO耐受性：20% CO環境下僅輕微抑制生長（延滯期延長1.3倍），最終生物量與正常條件相當（圖1）。

 

 

關鍵適應機制：誘導表達細胞色素bd氧化酶（CydAB，24倍上調），其活性對CO不敏感，而細胞色素bcc-aa?氧化酶（QcrCAB）則被CO強烈抑制（圖2, 圖3）。

 

 

 

蛋白組學特征：37個差異蛋白（僅占全蛋白組的0.56%），包括部分dos調節子（如DosR上調5倍），但dos調節子缺失（ΔdosR）不影響CO耐受性（圖2）。

 

呼吸鏈重塑：缺失bd氧化酶的突變株（ΔcydAB）在CO中生長嚴重受損（延滯期延長2.5倍），證明bd氧化酶是CO耐受的核心（圖1, 圖3）。

 

核心結論：分枝桿菌通過誘導CO不敏感的bd氧化酶重塑呼吸鏈，維持能量代謝，而非依賴廣泛的蛋白組重構。

2. 研究目的

 

探究分枝桿菌抵抗CO毒性的分子機制，聚焦：

 

CO對生長和呼吸鏈的影響；

 

關鍵蛋白（如終端氧化酶、dos調節子）在CO耐受中的作用；

 

呼吸鏈重塑是否為核心適應策略。

 

3. 研究思路

 

多維度驗證模型：

 

生長表型分析：比較野生型（WT）與突變株（ΔqcrCAB, ΔcydAB, ΔdosR）在20% CO vs. 20% N?下的生長曲線（延滯期、比生長速率、生物量）（圖1）。

 

蛋白組學：質譜分析CO暴露下WT及突變株的差異蛋白（圖2，表S1），識別關鍵誘導蛋白。

 

呼吸功能檢測：

 

Unisense微電極技術：實時監測O?消耗速率（OCR），評估CO對呼吸鏈的抑制（圖3）。

 

關鍵實驗：添加甘油（呼吸底物）后注入CO飽和緩沖液，量化呼吸抑制程度。

 

遺傳驗證：CRISPRi敲低（cydA, qcrC, dosR）與基因缺失突變株表型比對（圖S1）。

 

4. 測量數據及研究意義

（1）關鍵數據來源與意義

 

指標   數據來源  研究意義

 

生長延滯期延長  圖1A,D    WT在CO中延滯期↑1.3倍，ΔcydAB突變株↑2.5倍 → bd氧化酶缺失加劇CO敏感性。

 

蛋白組重塑    圖2A,E    bd氧化酶亞基CydA（24倍↑）、CydB（4.8倍↑）及部分dos調節子（如DosR 5倍↑） → 呼吸鏈重構是核心適應策略。

 

呼吸鏈抑制差異   圖3A    CO使ΔcydAB突變株OCR↓100%，WT↓部分，ΔqcrCAB不受抑制 → bd氧化酶具有CO抗性。

 

CO氧化耦合呼吸  圖3B    碳饑餓時添加CO刺激OCR（ΔqcrCAB↑1.5倍），鋅疊氮化物（細胞色素氧化酶抑制劑）阻斷該效應 → CO可通過bd氧化酶驅動呼吸。

 

5. 核心結論

 

呼吸鏈重塑主導CO耐受：

 

bd氧化酶（CydAB）是關鍵CO不敏感終端氧化酶，其誘導表達補償bcc-aa?氧化酶的CO敏感性。

 

dos調節子雖被CO誘導，但缺失（ΔdosR）不影響生長耐受（圖1），表明其非核心適應機制。

 

分枝桿菌固有高抗性：僅0.56%蛋白差異表達 → 表明其代謝網絡對CO脅迫具有強魯棒性。

 

CO雙面性：

 

高濃度（20%）抑制敏感氧化酶（bcc-aa?）；

 

低濃度可作為能源（經CO脫氫酶）耦合bd氧化酶維持呼吸（圖3B）。

 

6. 丹麥Unisense電極（O?微傳感器）的研究意義

 

技術原理與優勢：

 

安培法實時監測：電極表面O?還原產生電流信號 → nM級靈敏度 + 秒級分辨率（方法部分）。

 

原位動態檢測：直接插入細胞懸液，避免采樣偏差 → 精準量化呼吸動力學。

 

關鍵作用與科學價值：

 

揭示呼吸鏈抑制差異（圖3A）：

 

直接證明：CO完全抑制ΔcydAB突變株呼吸（依賴bcc-aa?），但僅部分抑制WT（bd氧化酶補償）。

 

發現：ΔqcrCAB（僅表達bd氧化酶）呼吸完全不受CO影響 → 首次證實bd氧化酶的CO抗性在生理語境有效。

 

解析CO能源化途徑（圖3B）：

 

監測到碳饑餓時CO添加刺激OCR → 證明CO氧化（經脫氫酶）可向bd氧化酶傳遞電子，驅動呼吸。

 

鋅疊氮化物抑制實驗：確認該過程依賴終端氧化酶 → 闡明CO代謝與呼吸鏈的耦聯機制。

 

支撐機制模型：

 

"Unisense數據揭示：分枝桿菌通過bd氧化酶維持CO環境下的呼吸通量，避免能量崩潰，為耐受性提供直接生理證據。"（討論章節）

 

領域貢獻：

 

突破終點法局限 → 實時解析呼吸鏈動態響應；

 

量化電子傳遞效率 → 為"呼吸鏈重塑"理論提供實驗基石；

 

技術可推廣至其他氣體脅迫（如NO、H?S）研究。