铁是许多生物重要生命活动必不可少的元素,主要以蛋白质辅基和辅因子的形式参与生物学过程,包括细胞呼吸和光合作用过程的电子传递、氧气运输、DNA合成、RNA修饰、氮固定等。因此,铁生物学研究对理解生命体的基本新陈代谢和环境生存适应特征至关重要,为人工改变利用生命体,特别是微生物,奠定基础。本研究使用的研究模式生物奥奈达希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）是一种兼性厌氧可进行金属还原的革兰氏阴性菌,呼吸多样性闻名。该特征主要归因于其有大量的含血红素蛋白,尤其是细胞色素c（cyt c）和铁硫（Fe-S）簇蛋白作为电子载体以及氧化还原酶。尽管如此,至今关于该菌中铁的转运以及铁稳态调控的研究甚为有限,并缺乏基本理解。本论文在实验室前期研究的基础上,对S.oneidensis的铁转运系统和铁稳态调控机制展开深入探索,主要研究内容为:i)确定二价铁转运系统（Feo）和铁载体（putrebactin）介导的三价铁转运系统是S.oneidensis两个主要的铁转运通路;ii)解析铁稳态的全局调控因子Fur蛋白缺失导致的生理表型与铁稳态的相互影响;iii)探究调控RNA Ryh B在铁稳态调控的作用。S.oneidensis缺失铁载体介导的三价铁转运系统几乎不影响细胞在正常培养基中的生长,说明该菌存在其他转运铁离子的路径。本论文通过基因组分析研究确定S.oneidensis编码二价铁离子转运系统Feo（含AB两个亚基）,并经突变研究发现该路径缺失严重影响细菌生长,说明其为该菌铁转运的主要途径。进一步研究发现,Feo与铁载体通路同时缺失将导致细胞无法生长,表明该菌铁转运几乎完全依赖这两个途径。S.oneidensis拥有高达9个铁载体受体,只有Put A负责其自产铁载体putrebactin的摄入。但其它铁载体受体并非完全冗余,因为进一步研究揭示S.oneidensis还可以通过这些受体吸收其它细菌产生释放的不同类型铁载体。论文还证明复合培养基中乃至自然界中广泛存在的多种a-羟基酸也可以通过Feo系统促进铁的转运。由于过高的铁水平会诱发产生活性氧分子（reactive oxygen species,ROS）,对细菌细胞产生毒害,因此S.oneidensis需要严格调控胞内的铁稳态。全局调控因子Fur的缺失将导致细胞内铁稳态失衡。为了深入探究Fur如何影响铁稳态,本论文通过蛋白组测序分析发现,Fur的缺失导致大量含铁蛋白表达下调,特别是含铁硫簇蛋白和血红素蛋白,而血红素降解酶Hmu Z的表达在Dfur中显著上调。生理分析实验进一步揭示了Dfur中这些含铁蛋白的不足以及铁转运系统的表达上调导致胞内自由铁水平升高,而血红素降解酶的高表达促使Dfur中血红素降解,释放铁离子,进而提升了自由铁水平,最终细胞因血红素水平过低致使cyt c的合成受损。Fur缺失诱发的cyt c合成受损可以通过敲除hmu AXZ基因簇得到改善,也可以通过外源添加膜透过性的铁螯合剂（如联吡啶）来降低Dfur胞内自由铁得到改善。这些发现首次确定了自由铁水平与Dfur的生理表型密切相关。在维持胞内铁稳态方面,调控RNA Ryh B也发挥重要功能,其作用机制在模式菌E.coli中得到了充分研究。有趣的是,S.oneidensis中的Ryh B序列长度和二级结构都与E.coli的Ryh B差异很大。本论文利用生物信息分析预测了Ryh B的作用靶点,并对多个靶点开展生理实验验证。结果显示,在S.oneidensis中Ryh B调控的靶基因具有一定的种属特异性,其中一些基因参与铁稳态调控以及血红素水平调节。综上所述,本课题揭示了S.oneidensis中两个主要的铁转运系统包括铁载体转运和Feo系统,并发现其外膜上多个Put A同源蛋白可能是其接受外源细菌的铁载体的受体,解释了a-羟基酸影响铁转运的机制,确定了胞内铁水平的稳态受到Fur蛋白与Ryh B的精确调控。论文的研究成果一方面增进了目前对铁稳态调控网络的理解,另一方面也明示了铁稳态生物学的复杂性,因为一些问题仍待研究回答,例如,关于Fur突变为什么引起自由铁水平异常增高还未完全解释清楚,Rhy B及其相关的RNA分子伴侣如何与Fur协同调控等。