鐵載體

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鐵載體（Siderophores，源自希臘語σίδεροφόρος，直譯為「鐵攜帶」) 是由細菌和真菌等微生物分泌的小型、高親和力的鐵-螯合化合物。它們幫助生物體積累鐵。儘管現在人們越來越認識到鐵載體的功能，鐵載體是已知最強（親和力最高）的Fe3+結合劑之一。植物鐵載體（Phytosiderophores）是由植物產生的鐵載體。

## 可溶性鐵缺乏

儘管鐵是地殼中最豐富的元素之一，但它卻不易被生物利用。在大多數有氧環境中，例如土壤或海洋，鐵以三價鐵（Fe3+）的形式存在，這種狀態往往會形成不溶性的鐵鏽狀固體。為了發揮營養物質的有效性，營養物質不僅必須易於獲取，還必須是可溶的。微生物釋放鐵載體，通過形成可溶性Fe3+配合物來從這些礦物相中拾取鐵，這些複合物可以通過主動運輸機制吸收。許多鐵載體是非核糖體肽，儘管有幾種是獨立生物合成的。

鐵載體對於某些致病細菌獲取鐵也很重要。在哺乳動物宿主中，鐵與血紅蛋白、轉鐵蛋白、乳鐵蛋白和鐵蛋白等蛋白質緊密結合。嚴格的體內平衡鐵導致其游離濃度約為 10−24 mol L−1，因此，致病細菌面臨著巨大的進化壓力來獲取這種金屬。例如，炭疽病病原體炭疽芽孢桿菌會釋放兩種鐵載體，即桿菌素和石油桿菌素，以從含鐵蛋白質中拾取鐵離子。雖然桿菌素已被證明能與免疫系統鐵運載蛋白結合，但人們認為石油桿菌素可以逃避免疫系統，並且已證明其對小鼠的毒力有重要意義。

鐵載體是已知的Fe3+最強結合劑之一，腸桿菌素是其中最強的結合劑之一。由於這種特性，它們引起了醫學界對金屬螯合療法的興趣，其中鐵載體去鐵胺B被廣泛應用於鐵中毒和地中海貧血的治療。

除了鐵載體外，一些致病細菌還產生血紅素載體（hemophores，即血紅素結合拾取蛋白）或具有直接與鐵/血紅素蛋白結合的受體。在真核生物中，增強鐵溶解度和吸收的其他策略是使周圍環境酸化（例如植物根部的利用）或在細胞外將Fe3+還原為更易溶解的Fe2+離子。

## 結構

與其他自然界中豐富的金屬離子相比，鐵載體通常優先與Fe3+形成穩定的六齒配體、八面體複合物，儘管如果供體原子少於六個，水也可以配位。最有效的鐵載體是每個分子具有三個雙齒配體的鐵載體，形成六齒複合物，並引起比單個鐵離子與單獨的配體螯合引起的熵變更小的熵變。Fe3+ 是一種強路易斯酸，它傾向於與強路易斯鹼（例如陰離子或中性氧原子）配位。微生物通常將鐵從鐵載體中還原為Fe2+來釋放，而Fe2+對這些配體的親和力較小。

鐵載體通常根據螯合三價鐵的配體進行分類。主要的鐵載體類型包括兒茶酚鹽（苯酚鹽）、異羥肟酸和羧酸鹽（例如檸檬酸的衍生物）。檸檬酸也可以充當鐵載體。鐵載體種類繁多可能是由於微生物在進化過程中承受的壓力，導致它們產生結構不同的鐵載體，而這些鐵載體無法通過其他微生物特定的主動運輸系統進行運輸，或者在病原體被宿主生物滅活的情況下。

## 多樣性

各種細菌和真菌產生的鐵載體的例子：

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羥肟酸鐵載體

鐵載體｜生物

鐵色素｜稗粒黑粉菌 Ustilago sphaerogena

去鐵胺B (去鐵胺)｜毛鏈黴菌 Streptomyces pilosus 微白黃鏈黴菌 Streptomyces coelicolor

去鐵胺E｜天藍色鏈黴菌 Streptomyces coelicolor

鐮刀菌素C fusarinine C｜粉紅鐮孢菌 Fusarium roseum

奧尼巴汀／奧尼桿菌素 ornibactin｜洋蔥伯克霍爾德氏菌複合體Burkholderia cepacia

紅酵母酸｜果蠅紅酵母 Rhodotorula pilimanae

糞生素／庫普羅根 coprogen｜真菌

氣桿菌素｜大腸埃希氏菌 Escherichia coli

兒茶酚鹽鐵載體

鐵載體｜生物

腸桿菌素｜大腸埃希氏菌 腸道細菌

芽孢桿菌素｜枯草芽孢桿菌 Bacillus subtilis 炭疽芽孢桿菌 Bacillus anthracis

弧菌素｜霍亂弧菌 Vibrio cholerae

分枝桿菌素｜結核分枝桿菌 Mycobacterium tuberculosis

沙莫切林／沙門氏菌素 salmochelin｜沙門氏菌屬菌種 Salmonella sp.

混合配體

鐵載體｜生物

綠膿桿菌素 azotobactin｜瓦恩蘭德固氮菌 Azotobacter vinelandii

綠膿桿菌素｜銅綠假單胞菌 Pseudomonas aeruginosa

耶爾森菌素｜鼠疫耶爾森氏菌 Yersinia pestis

氨基羧酸配體

鐵載體｜生物

麥根酸｜Hordeum vulgare 大麥

煙胺｜稻子

附錄1中提供了鐵載體結構的完整列表（超過250個）。

## 生物功能

### 細菌和真菌

為了應對環境中鐵的限制，參與微生物鐵載體產生和吸收的基因被去抑制，從而導致鐵載體和適當的吸收蛋白質的製造。在細菌中，當細胞內鐵濃度較高時，Fe2+依賴的阻遏物會與參與鐵載體生成基因上游的脫氧核糖核酸（DNA）結合。當鐵濃度較低時，Fe2+會與阻遏物分離，進而阻遏物又會與DNA分離，從而導致基因轉錄。在革蘭氏陰性菌和富含腺嘌呤-胸腺嘧啶（AT）的革蘭氏陽性菌中，這通常由Fur（鐵吸收調節劑）阻遏物調節，而在富含鳥嘌呤-胞嘧啶（GC）的革蘭氏陽性菌（例如放線菌門）中，則是DtxR（白喉毒素阻遏物），所謂的白喉棒狀桿菌產生危險的白喉毒素也受該系統調節。

隨後，鐵載體排泄到細胞外環境中，在那裡鐵載體起到隔離和溶解鐵的作用。然後，鐵載體被細胞外膜上的細胞特異性受體識別。在真菌和其他真核生物中，Fe-鐵載體複合物可能在細胞外被還原為Fe2+，而在許多情況下，整個Fe-鐵載體複合物會被主動運輸跨細胞膜。在革蘭氏陰性細菌中，這些複合物通過外膜受體運輸到周質中，並通過ABC轉運蛋白轉移到細胞質中。

一旦進入細胞質，Fe3+-鐵載體複合物通常會被還原為 Fe2+並釋放鐵，尤其是在「較弱」的鐵載體配體（例如異羥肟酸鹽和羧酸鹽）的情況下。鐵載體分解或其他生物機制也會釋放鐵，特別是在兒茶酚酸鹽（例如鐵腸桿菌素）的情況下，其還原電位對於還原劑（例如黃素腺嘌呤二核苷酸）來說太低，因此需要酶促降解來釋放鐵。

### 植物

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雖然大多數土壤中的鐵含量足以滿足植物生長，但由於氫氧化鐵(III)的溶解度低，鐵缺乏症 (植物病)在鈣質土壤中是一個問題。石灰性土壤占世界農田面積的30%。在這種條件下，禾本科植物（禾草、穀物和水稻）會向土壤中分泌植物鐵載體，典型的例子是脫氧麥根酸（Deoxymugineic acid）。植物鐵載體的結構與真菌和細菌的鐵載體不同，後者具有兩個α-氨基羧酸結合中心和一個α-羥基羧酸單元。後者的雙齒功能使植物鐵載體對鐵(III)具有較高的選擇性。在缺鐵土壤中生長時，禾本科植物的根會將鐵載體分泌到根際。在拾取鐵(III)時，鐵-植物鐵載體複合物通過質子同向轉運體機制跨細胞質膜運輸。然後將鐵 (III) 複合物還原為鐵 (II)，並將鐵轉移到煙胺，儘管它與植物鐵載體非常相似，但對鐵 (II) 具有選擇性，並且不會被根部分泌。煙胺將韌皮部中的鐵轉移到植物的所有部位。

### 螯合銅綠假單胞菌

鐵是銅綠假單胞菌／綠膿桿菌的重要營養物質，然而，鐵在環境中不易被吸收。為了解決這個問題，綠膿桿菌會生成鐵載體來結合和運輸鐵。但產生鐵載體的細菌並不一定能直接獲得鐵攝入的益處。相反，細胞群落中的所有成員都有同等的可能性獲得鐵-鐵載體複合物。鐵載體的產生也需要細菌消耗能量。因此，鐵載體的產生可以被視為一種利他性特徵，因為它對局部群體有益，但對個體而言卻代價高昂。這種利他性動態要求細胞群落中的每個成員都平等地為鐵載體的產生做出貢獻。但有時可能會發生突變，導致某些細菌產生的鐵載體數量減少。這些突變賦予了細菌進化優勢，因為細菌可以從鐵載體的產生中獲益，而無需承擔能量成本。因此，可以將更多能量分配給生長。能夠高效產生這些鐵載體的細胞群體成員通常被稱為合作者；而幾乎不產生鐵載體的成員通常被稱為作弊者。研究表明，當合作者和作弊者一起成長時，合作者的適應度會下降，而作弊者的適應度會上升。觀察發現，適應度變化的幅度會隨著鐵限制的增加而增大。隨著適應能力的提高，作弊者可以勝過合作者；由於缺乏足夠的鐵載體產生，這會導致群體整體適應能力下降。

### 銅綠假單胞菌中綠膿桿菌素和鐵載體的產生

在最近的一項研究中，有人探索了細菌銅綠假單胞菌中鐵載體綠膿桿菌素（pyoverdine，PVD）的產生。本研究重點關注PVD生物合成的構建、建模和動態模擬，通過系統性方法研究毒力因子。該方法認為，PVD合成的代謝途徑受群體感應（quorum sensing，QS）現象的調控，群體感應是一種細胞通訊系統，允許細菌根據其種群密度協調其行為。

研究表明，隨著細菌生長，細胞外QS信號分子的濃度也會增加，從而模擬了銅綠假單胞菌PAO1的自然行為。為了開展這項研究，我們基於iMO1056模型、銅綠假單胞菌PAO1菌株的基因組注釋以及PVD合成的代謝途徑，構建了銅綠假單胞菌的代謝網絡模型。該模型涵蓋PVD的合成、轉運反應、交換和QS信號分子。

最終的模型被稱為CCBM1146，結果表明，群體感應現象直接影響銅綠假單胞菌的代謝，使其朝著PVD生物合成的方向發展，而PVD的生物合成與QS信號強度的變化密切相關。這項研究是首個基於電腦模擬（in silico）的整合模型，該模型包含銅綠假單胞菌的QS基因調控網路和代謝網絡，詳細闡述了群體感應現象如何影響銅綠假單胞菌中綠膿桿菌和鐵載體的產生。

此外，腫瘤內的銅綠假單胞菌可能通過產生綠膿桿菌素來拾取鐵，從而間接保護腫瘤細胞免於鐵死亡，這強調了鐵死亡誘導劑硫鏈絲菌肽（thiostrepton），在癌症治療中的必要性。

## 生態

鐵載體在鐵元素利用率低的生態位中變得至關重要，而鐵是幾乎所有需氧微生物生長的關鍵限制因素之一。鐵載體主要有四種生態棲息地：土壤和地表水、海水、植物組織（病原體）和動物組織（病原體）。

### 土壤和地表水

土壤是細菌和真菌的豐富來源。常見的革蘭氏陽性菌種包括放線菌目、芽孢桿菌屬、節桿菌屬和諾卡氏菌屬。許多此類菌種能夠產生並分泌鐵氧胺，這不僅能促進產鐵菌的生長，還能促進其他能夠利用外源鐵載體的微生物種群的生長。土壤真菌包括麴黴菌和青黴菌，它們主要產生鐵色素。這類鐵載體由環狀六肽組成，因此對腐殖質土壤中存在的多種水解酶引起的環境降解具有很強的抵抗力。含有腐爛植物的土壤pH值低至3—4。在這種情況下，產生異羥肟酸鐵載體的生物由於這些分子極高的酸性穩定性而具有優勢。淡水中的微生物種群與土壤相似，事實上許多細菌會被從土壤中沖刷掉。此外，淡水湖泊中含有大量的假單胞菌、氮單胞菌、氣單胞菌和產鹼桿菌。當鐵載體被分泌到周圍環境中時，鐵載體可以被以細菌為食的捕食者（包括秀麗隱杆線蟲）檢測到，從而導致線蟲遷移到細菌獵物身上。

### 海水

與大多數淡水水源不同，表層海水中的鐵含量極低（上層200米內為1納摩爾/升至1微摩爾/升），遠低於釩、鉻、鈷、鎳、銅和鋅。這些鐵幾乎全部以三價鐵的形式存在，並與有機配體形成絡合物。低水平的鐵限制了浮游植物的初級生產，並導致了鐵肥的提出，該假說提出鐵的流入將促進浮游植物的生長，從而減少大氣中的二氧化碳。這一假設已在十多個不同的場合得到驗證，所有案例都導致了大規模的藻華。然而，藻華持續時間不一。一些研究發現了一個有趣的現象：有機配體的濃度在短時間內增加，以匹配添加的鐵的濃度，這暗示其可能來自生物，並且鑑於它們對鐵的親和力，可能具有鐵載體或類鐵載體的性質。值得注意的是，在鐵誘導的藻華中，異養細菌的數量也顯著增加。因此，浮游植物和異養細菌之間存在協同作用。浮游植物需要鐵（由細菌鐵載體提供），而異養細菌需要非二氧化碳碳源（由浮游植物提供）。

遠洋環境的稀薄性質促進了大量的擴散損失，並使基於鐵載體的常規鐵吸收策略的效率成為問題。然而，許多異養海洋原核生物確實會產生鐵載體，儘管其特性與陸地生物產生的鐵載體不同。許多海洋鐵載體具有表面活性，並傾向於形成分子聚集體，例如水螯合蛋白（aquachelins）。脂肪醯基鏈的存在使這些分子具有較高的表面活性和形成膠束的能力。因此，這些分子在分泌時會與生物體表面以及彼此結合，從而減緩鐵載體從分泌生物體擴散的速度，並維持相對較高的局部鐵載體濃度。浮游植物對鐵的需求量很高，但大多數（甚至可能是全部）浮游植物並不產生鐵載體。然而，浮游植物可以藉助膜結合還原酶從鐵載體複合物中獲取鐵，當然也可以從鐵（III）鐵載體光化學分解產生的鐵（II）中獲取鐵。因此，浮游植物吸收的大部分鐵（可能是全部鐵）依賴於細菌鐵載體的產生。

### 植物病原體

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大多數植物疾病通過釋放果膠裂解酶侵入質外體，從而促進入侵生物的擴散。細菌通常通過氣孔進入植物組織感染植物。進入植物後，它們在細胞間隙中擴散繁殖。細菌性維管束疾病的感染通過木質部在植物體內傳播。

一旦進入植物，細菌就需要能夠從兩種主要的鐵轉運配體——煙胺和檸檬酸鹽中拾取鐵。為了做到這一點，它們會產生鐵載體，因此腸道細菌達氏迪克氏菌（Erwinia chrysanthemi）會產生兩種鐵載體，即金桿菌素和無色桿菌素。黃單胞菌屬植物病原體產生黃鐵蛋白鐵載體來拾取鐵。

與人類一樣，植物也具有參與宿主防禦的鐵載體結合蛋白，例如主要的樺樹花粉過敏原：垂枝樺I型過敏原，它們通常會被分泌出來並具有類似脂質運載蛋白的結構。

### 動物病原體

致病細菌和真菌已經發展出了在動物組織中生存的方法。它們可能侵入胃腸道（埃希氏菌屬、志賀氏菌屬和沙門氏菌屬）、肺部（假單胞菌屬、博德特氏菌屬、鏈球菌屬和棒狀桿菌屬）、皮膚（葡萄球菌屬）或泌尿道（埃希氏菌屬和假單胞菌屬）。這些細菌可能在傷口處定植（弧菌屬和葡萄球菌屬），並導致敗血症（耶爾森氏菌屬和芽孢桿菌屬）。一些細菌可以在細胞器中存活很長時間，例如分枝桿菌屬。（見表）。由於細菌和真菌入侵的持續風險，動物已經基於免疫策略、補體系統、鐵載體結合蛋白的產生以及鐵的普遍「撤離」形成了多道防線。

感染類型｜生物｜鐵載體

痢疾｜志賀氏菌屬菌種｜氣桿菌素

腸道感染｜大腸埃希氏菌｜腸桿菌素

傷寒｜沙門氏菌屬菌種｜沙門氏菌素

鼠疫／瘟疫｜耶爾森氏菌屬菌種｜耶爾森菌素

霍亂｜弧菌屬菌種｜弧菌素

肺部感染｜假單胞菌屬菌種｜綠膿桿菌素

百日咳｜博德特氏菌屬菌種｜鹼化素 Alcaligin

結核｜結核分枝桿菌｜分枝桿菌素

皮膚和黏膜感染｜葡萄球菌屬菌種｜葡萄球菌鐵蛋白A

炭疽｜炭疽芽孢桿菌｜石油巴克汀／石油桿菌素

大多數動物體內存在兩種主要的鐵結合蛋白，它們能夠抵禦微生物入侵——細胞外保護由轉鐵蛋白家族提供，細胞內保護由鐵蛋白提供。轉鐵蛋白在血清中的含量約為30微摩爾（μM），包含兩個鐵結合位點，每個位點對鐵均具有極高的親和力。正常情況下，轉鐵蛋白的飽和度約為25—40%，這意味著血清中任何可自由利用的鐵都會被立即清除，從而抑制微生物生長。大多數鐵載體無法從轉鐵蛋白中去除鐵。哺乳動物也會產生乳鐵蛋白，它與血清轉鐵蛋白相似，但對鐵的親和力更高。乳鐵蛋白存在於汗液、淚液和乳汁等分泌液中，從而最大限度地減少細菌感染。

鐵蛋白存在於細胞質中，將細胞內鐵水平限制在約1μM。鐵蛋白比轉鐵蛋白大得多，能夠以無毒形式結合數千個鐵原子。鐵載體無法直接從鐵蛋白中轉移鐵。

除了這兩類鐵結合蛋白外，一種激素——鐵調素，也參與控制吸收性腸細胞、儲鐵性肝細胞和巨噬細胞釋放鐵。感染會導致炎症和白細胞介素-6 (IL-6) 的釋放，從而刺激鐵調素的表達。在人類中，IL-6的產生會導致血清鐵水平降低，使入侵的病原體難以感染。這種鐵缺乏已被證明會限制細菌在細胞內外的生長。

除了「鐵撤回」策略外，哺乳動物還會產生一種鐵載體結合蛋白——鐵螯蛋白（siderochelin）。鐵螯蛋白是脂質運載蛋白家族的成員，該家族雖然序列多樣，但具有高度保守的結構摺疊，即一個8鏈反向平行的β桶狀結構，與多個相鄰的β鏈形成結合位點。鐵螯蛋白（脂質運載蛋白2）的疏水口袋中也含有3個帶正電荷的殘基，這些殘基為鐵(III)-腸桿菌素提供了高親和力的結合位點。鐵載蛋白是一種有效的抗大腸桿菌的抑菌劑。感染後，巨噬細胞和肝細胞都會分泌鐵載蛋白，而腸桿菌素則會從細胞外空間被清除。

## 醫療應用

鐵載體在醫學上可用於鐵和鋁超載治療以及抗生素的改善靶向性。了解鐵載體的機制途徑為設計小分子抑制劑提供了機會，這些抑制劑可以阻止鐵載體的生物合成，從而在鐵限制環境中阻止細菌的生長和毒力。

由於鐵載體對鐵具有高親和力，其可用作促進人體鐵動員的藥物，尤其是在治療鐵病方面。一種潛在的強大應用是利用鐵載體的鐵轉運能力，通過製備鐵載體與抗菌劑的結合物，將藥物運送到細胞內。由於微生物僅識別和利用某些鐵載體，因此預計此類結合物具有選擇性抗菌活性。一個例子是頭孢菌素類抗生素頭孢地爾。

微生物鐵轉運（鐵載體）介導的藥物遞送利用鐵載體作為鐵遞送劑的識別能力，使微生物吸收附著有藥物的鐵載體結合物。這些藥物對微生物具有致死性，並在微生物吸收鐵載體結合物後導致其細胞凋亡。通過將鐵載體的鐵結合功能基團添加到抗生素中，其效力得到了顯著提高。這得益於鐵載體介導的細菌鐵吸收系統。

## 農業應用

禾本科（禾草）包括大麥和小麥等具有重要農業意義的物種，能夠通過其根部向周圍的土壤根際釋放植物鐵載體，從而有效地隔離鐵。根際微生物產生的化合物也能提高鐵的利用率和吸收率。燕麥等植物能夠通過這些微生物鐵載體吸收鐵。已證明植物能夠利用異羥肟酸型鐵載體鐵色素、紅酵母酸和鐵氧胺B；兒茶酚型鐵載體、農桿菌素；以及由腐生根定植細菌生物合成的混合配體兒茶酚-異羥肟酸-羥基酸鐵載體。所有這些化合物均由根際細菌菌株產生，這些菌株營養需求簡單，在自然界中存在於土壤、植物葉片、淡水、沉積物和海水中。

螢光假單胞菌已被公認為是針對某些土傳植物病原體的生物防治劑。它們會產生黃綠色色素（綠膿桿菌素），在紫外線下發出螢光，並起到鐵載體的作用。它們會剝奪病原體生長和致病所需的鐵。

## 其他金屬離子螯合物

鐵載體，無論是天然的還是合成的，都可以螯合鐵離子以外的金屬離子。例如鋁、鎵、鉻、銅、鋅、鉛、錳、鎘、釩、鋯、銦、鈽、鉳、鉲 和鈾.

## 相關流程

吸收鐵的替代方法是表面還原、降低pH值、利用血紅素或提取蛋白質複合金屬。近期數據表明，海洋細菌在磷酸鹽限制生長條件下產生了性質類似於鐵載體的鐵螯合分子。自然界中，磷酸鹽會與不同類型的鐵礦物結合，因此有人推測細菌可以利用類鐵載體分子溶解此類複合物，從而獲取磷酸鹽。

## 參閱

- 離子載體
- 草酸