激光生物学报
ACTA LASER BIOLOGY SINICA
Vol. 30 No. 6Dec. 2021
黩武主义第30卷第6期2021年12月
收稿日期：2021-07-31；修回日期：2021-09-10。
基金项目：湖北民族大学博士启动基金项目（4208011）；国家自然科学基金项目（31972231，31772121）。作者简介：王智勇，讲师，主要从事微生物群体感应与环境微生物学研究。 * 通信作者：何亚文，教授，主要从事微生物群体感应与合成生物学研究。。
细菌中脂肪酸β-氧化途径与机理的研究进展
王智勇1，2
，宋 凯2，郝祥蕊3，张红艳3，何亚文2*
（1. 湖北民族大学生物科学与技术学院，生物资源保护与利用湖北省重点实验室，恩施 445000；2. 上
海交通大学生命科学技术学院，微生物代谢国家重点实验室，代谢与发育科学国际合作联合实验室，上海交大-上海农乐生物农药与生物肥料联合研发中心，上海 200240；3. 上海农乐生物制品股份有限公司，上海 201419）
摘 要：
生物体能够合成脂肪酸，它们以不同链长、化学构型和功能存在于体内，参与生物体合成代谢、能量代谢、信号传导等重要的生理活动。生物体能通过不同氧化途径分解和利用脂肪酸，其中β-氧化是真核生物和原核生物中脂肪酸降解的主要途径。脂肪酸β-氧化机理在大肠杆菌中研究得最为广泛和深入。本文首先以大肠杆菌为重点对象，介绍了细菌脂肪酸β-氧化机制的最新研究进展。在此基础上，以植物病原黄单胞菌为代表，介绍了DSF-家族群体感应信号分子（一类中链不饱和脂肪酸）的降解途径和调控机理。基于目前的研究结果，进一步预测了超长链脂肪酸、3-位甲基脂肪酸、2-/3-位双键不饱和脂肪酸和多双键不饱和脂肪酸β-氧化途径中可能需要的特殊酶，并展望了本领域有待深入研究的关键科学问题。本综述为进一步深化脂肪酸β-氧化与细菌致病性相关机理研究提供了坚实的基础。
关键词：
细菌；脂肪酸；β-氧化；DSF 群体感应信号；细菌致病性中图分类号：
Q 935 文献标志码：A DOI ：
10.3969/j.issn.1007-7146.2021.06.003Advances in Pathways and Mechanisms of Fatty Acid β-oxidation in
Bacteriatalk dirty
WANG Zhiyong 1，
2
in the flesh, SONG Kai 2, HAO Xiangrui 3, ZHANG Hongyan 3, HE Yawen 2*(1. Key Laboratory of Biological Resources Protection and Utilization of Hubei Province, College of Biological Science
and Technology, Hubei Minzu University, Enshi 445000, China; 2. State Key Laboratory of Microbial Metabolism, Joint International Rearch Laboratory of Metabolic & Developmental Sciences, School of Life Sciences & Biotechnology, Shanghai Jiao Tong University-Shanghai Nong Le Joint R&D Center on Biopesticides and Biofertilizers, Shanghai 200240, China;
3. Shanghai Nong Le Biological Products Company Limited ，
Shanghai 201419, China)Abstract: All the living organisms can synthesize various fatty acids, which
exist in di fferent carbon chain length, con figura-tions and biological functions. The fatty acids are involved in many important physiological activities including anabolism, energy metabolism, and signal transduction. The living organisms are also capable of degrading and utilizing fatty acids via dif-ferent oxidative pathways and β-oxidation is one of the most important oxidative pathways in both prokaryotic and eukaryotic cells. Rearch in the model organism Escherichia coli has provided the most complete view of fatty acids β-oxidation. In this review, the progress of fatty acids β-oxidation in E. coli and other bacterial species were summarized. By taking the phytopatho-gen Xanthomonas as an example, this review then introduced the oxidation pathway and regulation mechanism of the di ffusible signaling factor (DSF)-family quorum nsing signal (mid-chain unsaturated fatty acids). Bad on current results, the speci fic
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生物体富含脂肪酸，它们以各种链长、化学构型和功能性存在于体内。脂肪酸按链长长短可分为长链脂肪酸、中链脂肪酸和短链脂肪酸；按结构可分为顺式脂肪酸和反式脂肪酸、饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸、直链脂肪酸和支链脂肪酸［1］。脂肪酸是细胞膜结构中磷脂的主要组成部分，参与生物体合成代谢、能量代谢、信号传导等重要的生理活动，是生命活动必不可少的成分［2］。
生物体能够合成脂肪酸，也能通过不同氧化途径分解和利用脂肪酸。脂肪酸氧化途径大致分为α-氧化、β-氧化和ω-氧化，其中α-氧化和ω-氧化仅存在于真核生物中，β-氧化是真核生物和原核生物中的主要脂肪酸降解途径［3-5］。由于脂肪酸合成是一个高度耗能的过程，故生物体还能吸收和利用外源脂肪酸参与自身的生理活动［6］。
脂肪酸β-氧化机理在大肠杆菌（Escherichia coli）中研究得最为广泛和深入。随着微生物全基因组序列数据库的迅猛发展，大多数测序的细菌中都发现了脂肪酸β-氧化相关基因，初步研究结果表明，尽管细菌中β-氧化的机理相对保守，但β-氧化基因和β-氧化参与的生物学功能存在多样性。本文首先总结了大肠杆菌和其他细菌中脂肪酸β-氧化相关研究的最新进展；然后以植物病原黄单胞菌（Xanthomonas）为例，特别介绍了DSF（diffusible sig-naling factor）-家族群体感信号分子降解的研究进展；在此基础上，进一步预测了具有特殊结构脂肪酸的降解机理；最后探讨了本领域有待回答的关键科学问题。
1 大肠杆菌中脂肪酸β-氧化途径
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野生型大肠杆菌可以链长为12个碳以上的脂肪酸作为唯一碳源生长，这些脂肪酸可以诱导脂肪酸降解调节子（fad regulon）的表达。脂肪酸降解调节子负责中链（C7—C11）、长链（C12—C18）和不饱和脂肪酸的转运（fadL）、酰化（fadD）及β-氧化（fadA，B，E，F，G，H）。fadR编码一个Gnt
R家族转录调控因子，负调控脂肪酸β-氧化，其表达受长链脂肪酸诱导，但不受中链脂肪酸诱导［7］。短链脂肪酸的转运和利用由atoDAEB操纵子完成，受AtoC调节［7-8］。
胞内脂肪酸由酰基辅酶A合成酶激活形成脂酰辅酶A，进入β-氧化循环。β-氧化循环包括脱氢、水合、脱氢和硫解四个步骤［9-10］，每个循环从脂肪酸链中以乙酰辅酶A的形式释放出两个碳原子（图1）。产生的乙酰辅酶A与草酰乙酸一起由柠檬酸合成酶催化生成柠檬酸，进入三羧酸循环。
脂肪酸跨膜转运蛋白（FadL） 大肠杆菌FadL 的分子量为48.5 kD。细胞膜对脂肪酸的透过性很低［11］，而FadL的功能是形成一个具有底物特异性的跨膜扩散通道。转运过程既需要ATP，也需要跨内膜的质子电化学梯度。Jeon等［11］用诱变技术等方法研究了FadL蛋白的结合和转运特性，发现长链脂肪酸转运活性与FadL蛋白的羧基末端部分密切相关。FadL对外源长链脂肪酸结合能力强，而对中链脂肪酸结合能力较弱［12-13］，其在细胞膜上的表达水平是决定长链脂肪酸和羟基脂肪酸全细胞生物转化率的关键因素之一［11］。
脂酰辅酶A合成酶（FadD） FadD是催化大肠杆菌β-氧化的第一步，负责将脂肪酸附着到辅酶A上。大肠杆菌FadD的分子量约为62 kD，包含两个高度保守的ATP/AMP特征结构域和一个参与脂肪酸底物结合和特异性识别的结构域［9］。FadD二聚体作用于链长为6～18个碳原子的脂肪酸，但对
6～12个碳原子的脂肪酸其活性相对较低［14］。DNA 蛋白凝胶阻滞试验和DNa足迹分析证明了Fa
dR 可抑制fadD的表达［9］。Zhang等［15］发现，过量的中链酰基辅酶A与FadR结合，解除了FadR对脂肪酸β-氧化的抑制作用。
酰基辅酶A合成酶（FadK） FadK是一种受厌氧调节的短链酰基辅酶A合成酶，偏爱短链脂肪酸底物（<10个碳原子）。FadK的分子量为62.77 kD，酶促机制与FadD类似，其表达在有氧生长过程中受到抑制，而在无氧条件下以延胡索酸为末端电子
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enzymes required for β-oxidation of very-long-chain fatty acids, 3-methyl-fatty acids, Δ2/Δ3-unsaturated fatty acids, and poly-unsaturated fatty acids were propod. Finally, the key scientific questions to be answered in this field were prospected. This re-view provides a solid foundation for further study of fatty acid β-oxidation pathway and the underlying mechanisms of bacterial pathogenicity.
Key words: bacteria; fatty acid; β-oxidation; DSF-family quorum nsing signal; bacterial pathogenicity
（Acta Lar Biology Sinica, 2021, 30(6): 494-504）more information
王智勇等：细菌中脂肪酸β-氧化途径与机理的研究进展
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受体时大量表达［16］。
酰基辅酶A 脱氢酶（FadE ） FadE 是一个电子转移黄素蛋白，分子量为75 kD ，含有FAD 辅因子［7］。在饱和脂肪酸的β-氧化途径中，
FadE 催化酰基辅酶A 脱氢形成C=C 双键。大肠杆菌野生型菌株可在十二酸或油酸作为唯一碳源的培养基上生长，而fadE 缺失突变体则不能，但二者均在含醋酸的培养基上生长良好［17］，表明FadE 具有链长特异性，且是大肠杆菌利用十二酸和油酸等脂肪酸所必须的关键酶。由于FadE 底物是脂酰辅酶A ，其难以通过化学合成，因此，FadE 的酶功能验证受阻［18］。
脂肪酸β-氧化多酶复合体（FadA 与FadB ）
大肠杆菌脂肪酸β-氧化多酶复合体由fadA 和fadB 两个基因编码，形成fadBA 操纵子。脂肪酸β-氧化多酶复合体是大肠杆菌在脂肪酸作为唯一碳源的培养基上进行有氧生长所必需的关键酶。FadB 和FadA 形成了一种四聚体复合物［19］，具有较宽的链长度特异性，几乎参与所有链长底物的降解［7］。FadA 是大肠杆菌多酶复合体β亚基，具有
3-酮脂酰辅酶A 硫解酶（3-ketoacyl-CoA thiola ，EC 2.3.1.16）活性，含有387个氨基酸，分子量为40.9 kD 。FadA 又称硫解酶I ，底物链长特异性范围较宽，在脂肪酸β-氧化循环中负责硫解反应，释放两个碳原子，生成乙酰辅酶A
。
图1 细菌脂肪酸β-氧化代谢途径
Fig. 1 The β-oxidation pathway of fatty acid degradation in bacteria
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FadB是大肠杆菌多酶复合体α亚基，分子量
为79.6 kD，具有2-烯酰辅酶A水合酶（2-enoyl-CoA hydrata，ECH）活性，催化2-烯酰辅酶A（2-enoyl-CoA）为3-羟酰辅酶A（3-hydroxyacyl-CoA），还具有3-羟酰辅酶A脱氢酶（3-hydroxyacyl-CoA dehydroge-na）活性，催化3-羟酰辅酶A形成3-酮酯酰辅酶A
（3-ketoacyl-CoA）。
Wu等［5］报道了FadB可催化2-烯酰辅酶A形
成（S）-或（R）-3-羟酰辅酶A，其中催化合成（S）-3-
羟酰辅酶A的水合酶包含一个ECH-1结构域，催化
合成（R）-3-羟酰辅酶A的水合酶包含一个ECH-2
reactable结构域。ECH-1与ECH-2有类似的活性位点和几
何结构，并成镜像对称［5］。ECH-1具有水合酶活性，
可逆催化反式-2-烯酰辅酶A合成（S）-3-羟酰辅酶A；ECH-2具有差向异构酶（epimera）活性［7］（图1），可将（R）-3-羟酰辅酶A（亦称为D-3-羟酰辅酶A）中间体转化为（S）-3-羟酰辅酶A（亦称为L-3-羟酰辅酶A），参与不饱和脂肪酸β-氧化途径。若缺少该差向异构过程，顺式脂肪酸难以进入β-氧化途径。2，4-二烯酰辅酶A还原酶（FadH） 大肠杆菌中还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nnicotin-amide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）依赖的FadH的分子量为72.55 kD，其N端包含FAD结合域，C端含有NADPH结合域［7］。FadH参与2，4-位不饱和双键脂肪酸β-氧化，催化2，4-二烯酰辅酶A 生成3-反式-烯酰辅酶A，再经FadB异构酶活性催化形成2-反式烯酰辅酶A。fadH的表达受FadR和ArcA的双重调控：FadR强烈抑制fadH的表达；厌氧条件下ArcA失活使fadH转录增加3倍以上。长链脂肪酸可诱导fadH的表达［20］。
酰基辅酶A硫酯酶（FadM） FadM是一种长链
酰基辅酶A硫酯酶，由132个氨基酸残基组成，分
子量接近15 kD。fadM又名ybaW，属于脂肪酸降解
调节子的新成员，FadR和全局性调控因子CRP均负
调控fadM的表达［21-22］。当大肠杆菌以不饱和脂肪
酸油酸为唯一碳源生长时，大部分油酸通过β-氧化
途径完全降解，大约10%的油酸降解为3，5-顺式-
十四碳二烯酰辅酶A，该中间产物是脂肪酸β-氧化
抑制物。FadM可切割3，5-顺式-十四碳二烯酰辅
酶A的硫酯键，生成3，5-顺式-十四二烯酸，并释
放到生长培养基中，在不饱和脂肪酸β-氧化过程中
起解毒功能［23-24］。2 其他细菌中脂肪酸β-氧化研究
枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis） 枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的脂肪酸β-氧化途径相似，可产生相同
类型的中间代谢产物，且终产物均为乙酰辅酶A［25-27］。二者的主要区别在于前者具有分解支链脂肪酸的能力［26］。枯草芽孢杆菌中全局性转录调控因子FadR抑制所有参与脂肪酸降解关键酶的编码基因，其活性可被长链脂酰辅酶A抑制［27］。与大肠杆菌的FadD（内膜蛋白）不同，枯草芽孢杆菌脂酰辅酶A合成酶LcfA和LcfB是可溶性蛋白［26］。枯草芽孢杆菌有多个参与脂肪酸β-氧化的基因，如lcfA、lcfB（yhfL）、fadB（ysiB）、fadN（yusL）、fadA（yusK）和fadE（yusJ）等［27］。敲除fadE、fadN、fadA、etfA、etfB或fadG可显著影响其对脂肪酸的利用［27］。
副猪嗜血杆菌（Haemophilus parasuis） 副猪嗜血杆菌是一种常见的猪上呼吸道致病菌和格拉瑟氏病（Gläsr dia）的病原体，感染可导致纤维素性多发性浆膜炎、关节炎和脑膜炎，是造成猪高死亡率的主要原因［28］。副猪嗜血杆菌SC096中包含两个FadD的同源蛋白HAPS_0217和 HAPS_1695（分别称为FadD1和FadD2），都包含ATP/AMP和FACS（fatty acid-CoA ligas）保守结构域，与大肠杆菌FadD的氨基酸序列相似性很高。FadD对副猪嗜血杆菌的生存至关重要，单敲除fadD1或fadD2的突变菌株易于构建，但双敲除菌株难以获得，双敲除fadD1和fadD2基因能够有效抑制其群体数量［28］。研究表明，FadD与副猪嗜血杆菌的致病性密切相关［28-30］。
分枝杆菌（Mycobacterium） 结核分枝杆菌（M. tuberculosis）是结核病的病原体，是全球第九大死亡原因［31］。耻垢分枝杆菌（M. smegmatis）具有快速生长、无致病性、与结核分枝杆菌基因高度同源、细胞结构相似等特点，是分枝杆菌感染及相关免疫学研究的模式菌株。分枝杆菌的一个重要特
征是细胞壁含有大量脂质分枝菌酸。结核分枝杆菌基因组中编码了一百多个与脂肪酸β-氧化相关的基因［32］。Venkatesan等［32］鉴定并解析了其脂肪酸β-氧化多酶复合体（trifunctional enzyme，TFE）的晶体结构。TFE是一种由两分子FadA和两分子FadB 组成的复合体，能催化脂肪酸β-氧化中水合、脱氢
激光生物学报
ashley scott498第 30 卷
及硫解三种反应［32］。另外，Cox等［31］报道了FadB2无配体晶体的结构。FadB2结晶为二聚体，每个不对称的结构基元有三个独特的二聚体拷贝，根据STRING蛋白网络数据库（）的查询可知，FadB2可能在功能上（或物理上）与烯酰辅酶A水合酶FadB8和硫解酶FadA2、FadA3、FadA4或FadA6结合。转录因子KstR和KstR2调控结核分枝杆菌胞内胆固醇的跨膜转运和β-氧化过程［33-34］。
最近，Xu等［35］在耻垢分枝杆菌中鉴定出一个TetR-型转录因子MmbR，其参与调控脂肪酸β-氧化及生物膜的形成，对维持耻垢分枝杆菌的脂质稳态至关重要。敲除mmbR会导致细胞内脂肪酸含量显著降低，生物膜的相对脂质组成减少。MmbR 负调控脂肪酸β-氧化的一组核心基因（如脂酰辅酶A合成酶编码基因MSMEG_2231、酰基辅酶A脱氢酶编码基因MSMEG_0714、烯酰辅酶A水合酶/异构酶
编码基因MSMEG_2223、3-羟酰辅酶A脱氢酶编码基因MSMEG_2279、硫酯酶编码基因MS-MEG_2236等约60个基因）的表达。另外，长链脂酰辅酶A和脂肪酸对MmbR与DNA的特异性结合具有抑制作用［35］。
黄色黏球菌（Myxococcus xanthus） 黄色黏球菌细胞在子实体发育过程中产生含有三酰甘油酯的脂质体，是研究脂质代谢对细胞生理与发育影响的模式生物［36-37］。黄色黏球菌基因组中实际有两套脂肪酸β-氧化基因，即同源性分析发现基因组中包含两组与fadA和fadB同源的基因，MXAN_5371（标注为脱氢酶编码基因fadJ）和MXAN_5372（标注为硫解酶编码基因fadI）以及MXAN_6987（标注为fadJ）和MXAN_6998（标注为fadI）。其中，MXAN_5371和MXAN_5372在黄色黏球菌生长至脂质体积累的高峰期（18 h）表达量上调，而MXAN_6987和MXAN_6998的表达量无变化［38-39］。敲除fadJ（MXAN_5371和MXAN_6987）和fadI （MXAN_5372）基因会严重影响黄色黏球菌的多细胞形态发生和孢子形成［36］。
铜绿假单胞菌（Pudomonas aeruginosa） 铜绿假单胞菌是常见的环境微生物，也是重要的条件致病菌，可通过降解肺表面活性物质的重要成分磷脂酰胆碱引起肺纤维化。磷脂酰胆碱的主要成分之一是长链脂肪酸，其降解主要通过β-氧化途径进行。铜绿假单胞菌PAO1菌株包含两个脂酰辅酶A合成酶基因，分别命名为fadD1和fadD2，两个FadD都包含ATP/AMP和脂肪酸结合的结构域，与大肠杆菌FadD高度同源。FadD1（PA3299）具有长链脂肪酸底物的特异性，而FadD2（PA3300）偏爱短链脂
powerup
肪酸。fadD2突变株的脂肪酶、蛋白酶、鼠梨糖脂和磷脂酶分泌量下降，游动性和群集效应减弱，而fadD1突变株仅表现出群集效应能力增强。此外，参与脂肪酸降解的基因还包括fadAB1（PA1737 & PA1736）、fadAB4（PA4786 & PA4785）以及fadBA5（PA3014 & PA3013）三个操纵子［40］。PsrA（PA3006）是铜绿假单胞菌中一个调控因子，结合并响应长链脂肪酸信号，调控fadBA5的表达。在囊性纤维化患者肺部感染期患者体内，降解长链脂肪酸的β-氧化酶会高效表达，这与铜绿假单胞菌的营养获取和致病机制相关［41］。
Zhang等［42］发现，添加十八烷酸到铜绿假单胞培养体系后，鼠李糖脂生物合成基因rhlA和rhlB的表达量提高了200～600倍，fadA的表达量提高了
3～4倍，鼠李糖脂的产量显著增加。鼠李糖脂作为“绿色”表面活性剂，在工业、修复和医药领域有多种潜在应用。
罗尔斯通氏菌（Ralstonia eutropha） 罗尔斯通氏菌为革兰氏阴性β-变形菌，是生物技术中常用的微生物，能够利用脂肪酸代谢产生的乙酰辅酶A生产大量胞内聚羟基烷酸（polyhydroxyalkano-ate，PHA）生物聚合物，亦可利用脂肪酸代谢中间产物合成不同的PHA前体。PHA具有热塑性和可生物降解特性，可作为塑料的替代品。通过改变罗尔斯通氏菌的脂质和脂肪酸的代谢通路，还可将碳转化为其他有附加值的化合物，如生物燃料［43］。通过基因组学和转录组学测序分析发现，罗尔斯通氏菌
H16有两个操纵子与脂肪酸β-氧化相关［25, 44］。烯酰辅酶A水合酶FadB（H16_A0461）和FadB1（H16_A1526）分别存在于两个操纵子中。单个缺失这两个操纵子对其在脂肪酸作为唯一碳源的培养基中生长没有显著影响，而两个操纵子同时敲除的菌株不能在脂肪酸作为唯一碳源的培养基上生长［45-46］。
肠道沙门氏菌（Salmonella enterica） 长期以来，人们一直认为大肠杆菌和沙门氏菌具有相同的脂肪酸降解途径。最近研究表明，二者的β-氧化
