陈浩课题组PNAS:细菌体内精准识别重金属镉离子的一种新机制

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金属离子在所有生命体系中都发挥着其他化学物质所不能替代的重要作用。它们中有些作为生物大分子的信号因子和辅助催化因子，有些是生物大分子的重要结构组成部分，参与生命体系中的各种氧化还原反应、水解反应、重排反应和电子转移反应等。研究揭示，只有适宜浓度的金属离子才能保证生命体系的正常生理活动。因此，生物体还需要保持体内各种金属离子的动态平衡。一旦这种平衡被扰动，即使是那些有益的或者是生命体必需的金属离子也会产生强烈的毒害作用。这样以来，有效监测和调节金属离子在细胞体内的浓度就显得格外重要。随着自然界的演化，生命体系也进化出能有效区分、利用和排除不同金属离子的机制和体系。

       例如，为了应对复杂严酷的外界生存条件，大多数细菌染色体中都有一套或数套金属调控蛋白质，它们可以调控细菌防御系统以抵御金属离子的毒性或较高浓度金属离子水平。由于上述金属蛋白质的保护，这些细菌可以长期生存在重金属等污染的水质和土壤中。这些金属调控蛋白质中有一类名为MerR的转录因子家族，在上述生理活动中表现出非常独特的性质。其家族成员可以有效地高灵敏性、高选择性识别和结合Hg2+、Cd2+、Zn2+、Fe2+、Cu+、Ag+、Au+、Pb2+等金属离子，并采用特殊的启动子DNA区域扭曲调控机制，使得MerR等蛋白质可以随体内金属离子浓度变化在阻遏构象和激活构象之间发生转换，启动或关闭下游细菌防御系统（图1a）。
       近年来，南京大学化学化工学院配位化学国家重点实验室的陈浩课题组在MerR蛋白家族响应不同金属离子信号，精准进行基因调控的分子机理研究领域取得了一系列进展(Sci. Rep. 2016, 6:33391; Inorg. Chem. 2016, 55:12516; Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2019, 116(41):20398)。课题组利用生物大分子X射线单晶衍射、核磁共振波谱等技术详细地在分子水平阐述了多位MerR家族成员如何利用特殊的金属配位方式引发蛋白质的构象变化从而识别相应金属离子的调控机制：CadR识别Cd(II)，MerR识别Hg(II)以及PbrR识别Pb(II)（图1b）。研究发现通过进化出特异性的单一金属识别位点如平面三角构型HgS3，三角锥构型PbS3，或双金属协同识别位点如CdS3O+CdN3O2，MerR转录因子家族可以将变构效应从金属结合结构域传递到DNA结合结构域，从而诱导下游基因的转录激活。其中来自恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）的CadR蛋白采用非对称的双金属协同模型精准识别镉离子的机制在金属转录调控因子的研究中属首次发现，它额外采用了一个富含组氨酸的C端尾巴（His-tail）参与变构调控，这一发现进一步深化了人们对生物大分子结构与功能的认识。
       该工作以“Selective cadmium regulation mediated by a cooperative binding mechanism in CadR”全文的形式于2019年10月8日发表于Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.（2019，DOI:10.1073/pnas.1908610116）上，2019年10月18日Science杂志编辑对该研究工作进行了点评（Science. 2019, 366(6463):321-322, DOI:10.1126/science.366.6463.321-g）。化学化工学院博士研究生刘茜醇为第一作者，胡青原为第二作者，杨金梅为第三作者。特别感谢复旦大学甘建华教授，本院王康副教授，国家蛋白质科学研究（上海）设施核磁系统刘志军博士，中国科技大学刘扬中教授和田长麟教授对该工作的帮助和支持。该研究工作受到科技部国家重点基础研究发展计划、教育部和国家自然科学基金委的资助。

       镉离子检验
       镉离子荧光比率分子探针，该探针通过甲基氟硼荧光染料与二-(2-吡啶甲基)-苯甲醛缩合而成。激发和发射波长在可见光区。在pH 5～12的范围内，探针对镉离子有很好的选择性，而钠、钾、钙、镁、锰等金属离子对检测没有干扰，可以检测微摩尔浓度的镉离子。探针分子络合镉离子后荧光量子产率增大4倍以上，镉离子络合前后发射光谱蓝移约40-80nm，可以对镉离子进行比率荧光检测。

       陈浩，1972年生，2003年获南京大学理学博士学位1998-1999年度赴美国哈佛大学医学院 (Harvard Medical School)进修；2005年赴美国芝加哥大学(The University of Chicago)开展博士后研究工作；现任南京大学化学化工学院配位化学研究所副教授。在化学与生物学新兴的前沿学科，融合化学和生物学相关学科的技术和方法，研究生物大分子的功能，从而从分子的水平上了解和探索生命现象的本质。