铁是几乎所有生物体的必需营养素。然而，过量的铁是有毒的，因为它会促进有害氧自由基和蛋白质二金属化的形成（金属与蛋白质的错误结合）。细菌已经开发出复杂的铁吸收、储存和输出系统，以维持铁平衡并在不同的生态位中茁壮成长。铁质体是膜结合的细胞器，含有磷酸铁颗粒，可能作为在某些细菌中储存铁的机制，并且已在三种环境细菌中鉴定出铁小体形成所需的基因。然而，铁体形成的分子基础、铁体的功能以及细菌病原体是否产生铁体在很大程度上仍然未知。因此，我们着手研究艰难梭菌（一种人类肠道病原体）中的铁小体系统，并阐明其在艰难梭菌感染期间对细胞生理学和发病机制的影响。

解决方案

确定铁小体系统的生理功能并不简单。铁质体可以在低铁条件下促进厌氧生长（即在没有氧气的情况下生长）5.我们发现，在艰难梭菌中，编码铁小体系统的基因在铁含量有限时高度表达；然而，在铁过量或短缺期间，铁体在促进生长方面没有明显的作用。我们尝试了许多生长条件，发现在从缺铁到不缺铁的过渡过程中，铁小体在维持铁稳态方面起着至关重要的作用（图1）。我们的研究结果表明，铁的缺乏会诱导编码铁小体系统的基因的表达。这是为了有效避免当细菌（一直生活在低铁环境中，因此一直在产生高亲和力的铁输入系统）过渡到充满铁的环境时发生的铁过载。铁小体系统的诱导使艰难梭菌具有有效储存铁的能力，并作为对短暂性铁毒性的防御机制。同时，它使细菌能够储存铁，以便在铁供应不足的时期使用。

图1 | 艰难梭菌中的铁质体。 a，高角度环形暗场 （HAADF） 扫描透射电子显微镜与能量色散 X 射线光谱相结合，应用于艰难梭菌细胞的超薄切片 （100 nm），显示存在含有铁的细胞内电子致密颗粒（红色）。比例尺，200 nm。b，冷冻电子断层扫描显示铁小体与膜结合。紫色框标记空囊泡和充满不同水平磷酸铁颗粒的囊泡。比例尺，50 nm。

艰难梭菌的发病机制依赖于其获取必需金属营养物质（尤其是铁）的能力，以支持其定植和复制。为了研究铁质体对艰难梭菌感染的贡献，我们使用了几种小鼠模型，检查了感染期间铁体系统的体内表达动态，并量化了哺乳动物宿主（小鼠和艰难梭菌感染者）肠道中的金属浓度。我们还检查了宿主的铁限制反应;这种反应被称为营养免疫，是一种针对感染的防御措施，其中宿主隔离可用的金属营养物质以防止病原体获得它们。我们的数据表明，艰难梭菌亚铁小体系统在体内被激活，与宿主铁隔离竞争，对细菌定植和感染期间的存活很重要。

艰难梭菌是一种革兰氏阳性、孢子形成的厌氧菌，对全球公共卫生构成紧迫威胁，每年造成约五十万人感染和29,000多人死亡9.目前的治疗方法仅限于最后的抗生素，如非达霉素或万古霉素，在更严重的情况下，粪便微生物群移植或手术10,11.即使接受治疗，艰难梭菌感染 （CDI） 的复发率为 20-25%，9 名 65 岁以上的患者中就有 1 名会在诊断后 30 天内死亡12.这些事实凸显了确定治疗 CDI 的替代策略的重要性。

艰难梭菌的发病机制取决于其获取营养金属进行定植和增殖的能力13、14、15 .为了抑制微生物复制，脊椎动物宿主已经进化出防御策略，以隔离金属免受入侵病原体的侵袭，称为营养免疫。营养免疫是抵御CDI的有效防御措施13、14、15 其中营养金属被宿主蛋白（如钙卫蛋白 （CP）、脂质运载蛋白-2 （LCN-2） 和乳铁蛋白）截留16,17.CP 是两种 S100 钙结合蛋白 S100A8 和 S100A9 的异二聚体。CP 约占中性粒细胞细胞质内蛋白质组成的 50%，并限制多种金属，包括锌、锰和铁14、18、19 .LCN-2（也称为中性粒细胞相关明胶酶脂质运载蛋白，NAGL）螯合铁载体，铁载体是小的铁螯合分子20.乳铁蛋白是一种阳离子糖基化转铁蛋白家族蛋白，主要在粘膜表面螯合铁21.这些蛋白质对细菌病原体具有广泛的抗菌活性，表现出强大的免疫调节作用19、21、22、23、24、25并作为常见的临床炎症生物标志物，其丰度与 CDI 严重程度呈正相关26,27,28,29.然而，目前尚不清楚艰难梭菌如何适应这些蛋白质介导的铁限制，以及这种病原体如何在感染期间抵抗营养免疫。在这里，我们发现艰难梭菌产生含磷酸铁的铁体细胞器，以防止体外瞬时铁过载期间的铁中毒。此外，我们证明了铁小体系统在CDI期间被激活，对于破坏哺乳动物肠道的营养免疫和克服铁应激非常重要。这些结果凸显了靶向亚铁小体形成作为针对这一重要病原体的新抗菌策略的潜力。

这项研究可能会引起多个领域的兴趣，包括微生物学、纳米技术和生化工程，因为铁小体可用于开发用于药物递送的金属纳米颗粒。病原菌中铁小体的这一发现有可能重塑科学家对感染期间宿主-病原体相互作用以及厌氧微生物如何储存微量元素的理解。它还可以揭示肠道微生物如何适应宿主中金属营养物质水平的波动。

检测满载铁颗粒的铁质体的膜结构具有挑战性，主要是因为来自铁颗粒的信号掩盖了来自膜的信号。此外，大多数艰难梭菌铁质体都位于细胞膜附近;然而，由于冷冻电子断层扫描的技术限制，我们无法捕捉到铁小体形成过程各个阶段的快照。目前正在进行研究，以进一步阐明铁小体形成的分子基础，并阐明其对宿主-微生物相互作用结果的影响。

— Hualiang Pi 在美国康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学医学院工作，Eric P. Skaar 在美国田纳西州纳什维尔的范德比尔特大学医学中心工作。

专家意见

Pi及其同事定义了一种新的艰难梭菌铁稳态模式，该模式在介导与宿主的相互作用中起着至关重要的作用。它们还确定了革兰氏阳性细菌中脂质结合的铁小体细胞器的存在和功能。总而言之，这是一项重大突破，它将纳米尺度的细菌细胞的超微结构组织与全球发病机制联系起来。

— Arash Komeili 就职于美国加州大学伯克利分校伯克利分校。

论文背后

在这项研究开始时，我们试图使用透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜来可视化磷酸铁颗粒周围的脂质样膜结构。不幸的是，这些努力都没有成功，无论是在体外使用分离的颗粒还是在原位使用艰难梭菌的超薄切片，其中细菌细胞被处理以改善膜和细胞壁的可视化。因此，我们假设艰难梭菌产生非膜结合的磷酸铁颗粒，这些颗粒与其他细菌中发现的膜结合铁小体不同5.然后，我们与范德比尔特大学的Qiangjun Zhou团队合作，使用冷冻电子断层扫描来获得更好的结构见解。我们很高兴地观察到艰难梭菌产生的磷酸铁颗粒确实是膜结合的。这一发现改变了我们的研究进程，我们正在进行的项目之一是阐明铁质体膜的起源。