王智勇，宋 凱，郝祥蕊，張紅艷，何亞文*

（1.湖北民族大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，恩施 445000；2.上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，代謝與發(fā)育科學(xué)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海交大-上海農(nóng)樂(lè)生物農(nóng)藥與生物肥料聯(lián)合研發(fā)中心，上海 200240；3.上海農(nóng)樂(lè)生物制品股份有限公司，上海 201419）

生物體富含脂肪酸，它們以各種鏈長(zhǎng)、化學(xué)構(gòu)型和功能性存在于體內(nèi)。脂肪酸按鏈長(zhǎng)長(zhǎng)短可分為長(zhǎng)鏈脂肪酸、中鏈脂肪酸和短鏈脂肪酸；按結(jié)構(gòu)可分為順式脂肪酸和反式脂肪酸、飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸、直鏈脂肪酸和支鏈脂肪酸［1］。脂肪酸是細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中磷脂的主要組成部分，參與生物體合成代謝、能量代謝、信號(hào)傳導(dǎo)等重要的生理活動(dòng)，是生命活動(dòng)必不可少的成分［2］。

生物體能夠合成脂肪酸，也能通過(guò)不同氧化途徑分解和利用脂肪酸。脂肪酸氧化途徑大致分為α-氧化、β-氧化和ω-氧化，其中α-氧化和ω-氧化僅存在于真核生物中，β-氧化是真核生物和原核生物中的主要脂肪酸降解途徑［3-5］。由于脂肪酸合成是一個(gè)高度耗能的過(guò)程，故生物體還能吸收和利用外源脂肪酸參與自身的生理活動(dòng)［6］。

脂肪酸β-氧化機(jī)理在大腸桿菌（Escherichia coli）中研究得最為廣泛和深入。隨著微生物全基因組序列數(shù)據(jù)庫(kù)的迅猛發(fā)展，大多數(shù)測(cè)序的細(xì)菌中都發(fā)現(xiàn)了脂肪酸β-氧化相關(guān)基因，初步研究結(jié)果表明，盡管細(xì)菌中β-氧化的機(jī)理相對(duì)保守，但β-氧化基因和β-氧化參與的生物學(xué)功能存在多樣性。本文首先總結(jié)了大腸桿菌和其他細(xì)菌中脂肪酸β-氧化相關(guān)研究的最新進(jìn)展；然后以植物病原黃單胞菌（Xanthomonas）為例，特別介紹了DSF（diffusible signaling factor）-家族群體感信號(hào)分子降解的研究進(jìn)展；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步預(yù)測(cè)了具有特殊結(jié)構(gòu)脂肪酸的降解機(jī)理；最后探討了本領(lǐng)域有待回答的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

1 大腸桿菌中脂肪酸β-氧化途徑

野生型大腸桿菌可以鏈長(zhǎng)為12個(gè)碳以上的脂肪酸作為唯一碳源生長(zhǎng)，這些脂肪酸可以誘導(dǎo)脂肪酸降解調(diào)節(jié)子（fadregulon）的表達(dá)。脂肪酸降解調(diào)節(jié)子負(fù)責(zé)中鏈（C7—C11）、長(zhǎng)鏈（C12—C18）和不飽和脂肪酸的轉(zhuǎn)運(yùn)（fadL）、?；╢adD）及β-氧化（fadA，B，E，F(xiàn)，G，H）。fadR編碼一個(gè)GntR家族轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，負(fù)調(diào)控脂肪酸 β-氧化，其表達(dá)受長(zhǎng)鏈脂肪酸誘導(dǎo)，但不受中鏈脂肪酸誘導(dǎo)［7］。短鏈脂肪酸的轉(zhuǎn)運(yùn)和利用由atoDAEB操縱子完成，受AtoC調(diào)節(jié)［7-8］。

胞內(nèi)脂肪酸由?；o酶A合成酶激活形成脂酰輔酶A，進(jìn)入β-氧化循環(huán)。β-氧化循環(huán)包括脫氫、水合、脫氫和硫解四個(gè)步驟［9-10］，每個(gè)循環(huán)從脂肪酸鏈中以乙酰輔酶A的形式釋放出兩個(gè)碳原子（圖1）。產(chǎn)生的乙酰輔酶A與草酰乙酸一起由檸檬酸合成酶催化生成檸檬酸，進(jìn)入三羧酸循環(huán)。

圖1 細(xì)菌脂肪酸β-氧化代謝途徑Fig.1 The β-oxidation pathway of fatty acid degradation in bacteria

脂酰輔酶A合成酶（FadD） FadD是催化大腸桿菌β-氧化的第一步，負(fù)責(zé)將脂肪酸附著到輔酶A上。大腸桿菌FadD的分子量約為62 kD，包含兩個(gè)高度保守的ATP/AMP特征結(jié)構(gòu)域和一個(gè)參與脂肪酸底物結(jié)合和特異性識(shí)別的結(jié)構(gòu)域［9］。FadD二聚體作用于鏈長(zhǎng)為6～18個(gè)碳原子的脂肪酸，但對(duì)6～12個(gè)碳原子的脂肪酸其活性相對(duì)較低［14］。DNA蛋白凝膠阻滯試驗(yàn)和DNase足跡分析證明了FadR可抑制fadD的表達(dá)［9］。Zhang等［15］發(fā)現(xiàn)，過(guò)量的中鏈酰基輔酶A與FadR結(jié)合，解除了FadR對(duì)脂肪酸β-氧化的抑制作用。

?；o酶A合成酶（FadK） FadK是一種受厭氧調(diào)節(jié)的短鏈酰基輔酶A合成酶，偏愛(ài)短鏈脂肪酸底物（＜10個(gè)碳原子）。FadK的分子量為62.77 kD，酶促機(jī)制與FadD類似，其表達(dá)在有氧生長(zhǎng)過(guò)程中受到抑制，而在無(wú)氧條件下以延胡索酸為末端電子受體時(shí)大量表達(dá)［16］。

?；o酶A脫氫酶（FadE） FadE是一個(gè)電子轉(zhuǎn)移黃素蛋白，分子量為75 kD，含有FAD輔因子［7］。在飽和脂肪酸的β-氧化途徑中，F(xiàn)adE催化酰基輔酶A脫氫形成C=C雙鍵。大腸桿菌野生型菌株可在十二酸或油酸作為唯一碳源的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，而fadE缺失突變體則不能，但二者均在含醋酸的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)良好［17］，表明FadE具有鏈長(zhǎng)特異性，且是大腸桿菌利用十二酸和油酸等脂肪酸所必須的關(guān)鍵酶。由于FadE底物是脂酰輔酶A，其難以通過(guò)化學(xué)合成，因此，F(xiàn)adE的酶功能驗(yàn)證受阻［18］。

脂肪酸β-氧化多酶復(fù)合體（FadA與FadB）大腸桿菌脂肪酸β-氧化多酶復(fù)合體由fadA和fadB兩個(gè)基因編碼，形成fadBA操縱子。脂肪酸β-氧化多酶復(fù)合體是大腸桿菌在脂肪酸作為唯一碳源的培養(yǎng)基上進(jìn)行有氧生長(zhǎng)所必需的關(guān)鍵酶。FadB和FadA形成了一種四聚體復(fù)合物［19］，具有較寬的鏈長(zhǎng)度特異性，幾乎參與所有鏈長(zhǎng)底物的降解［7］。

FadA是大腸桿菌多酶復(fù)合體β亞基，具有3-酮脂酰輔酶A硫解酶（3-ketoacyl-CoA thiolase，EC 2.3.1.16）活性，含有387個(gè)氨基酸，分子量為40.9 kD。FadA又稱硫解酶I，底物鏈長(zhǎng)特異性范圍較寬，在脂肪酸β-氧化循環(huán)中負(fù)責(zé)硫解反應(yīng)，釋放兩個(gè)碳原子，生成乙酰輔酶A。

FadB是大腸桿菌多酶復(fù)合體α亞基，分子量為79.6 kD，具有2-烯酰輔酶A水合酶（2-enoyl-CoA hydratase，ECH）活性，催化2-烯酰輔酶A（2-enoyl-CoA）為3-羥酰輔酶A（3-hydroxyacyl-CoA），還具有3-羥酰輔酶A脫氫酶（3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase）活性，催化3-羥酰輔酶A形成3-酮酯酰輔酶A（3-ketoacyl-CoA）。

Wu等［5］報(bào)道了FadB可催化2-烯酰輔酶A形成（S）-或（R）-3-羥酰輔酶A，其中催化合成（S）-3-羥酰輔酶A的水合酶包含一個(gè)ECH-1結(jié)構(gòu)域，催化合成（R）-3-羥酰輔酶A的水合酶包含一個(gè)ECH-2結(jié)構(gòu)域。ECH-1與ECH-2有類似的活性位點(diǎn)和幾何結(jié)構(gòu)，并成鏡像對(duì)稱［5］。ECH-1具有水合酶活性，可逆催化反式-2-烯酰輔酶A合成（S）-3-羥酰輔酶A；ECH-2具有差向異構(gòu)酶（epimerase）活性［7］（圖1），可將（R）-3-羥酰輔酶A（亦稱為D-3-羥酰輔酶A）中間體轉(zhuǎn)化為（S）-3-羥酰輔酶A（亦稱為L(zhǎng)-3-羥酰輔酶A），參與不飽和脂肪酸β-氧化途徑。若缺少該差向異構(gòu)過(guò)程，順式脂肪酸難以進(jìn)入β-氧化途徑。

2，4-二烯酰輔酶A還原酶（FadH） 大腸桿菌中還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nnicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）依賴的FadH的分子量為72.55 kD，其N端包含F(xiàn)AD結(jié)合域，C端含有NADPH結(jié)合域［7］。FadH參與2，4-位不飽和雙鍵脂肪酸β-氧化，催化2，4-二烯酰輔酶A生成3-反式-烯酰輔酶A，再經(jīng)FadB異構(gòu)酶活性催化形成2-反式烯酰輔酶A。fadH的表達(dá)受FadR和ArcA的雙重調(diào)控：FadR強(qiáng)烈抑制fadH的表達(dá)；厭氧條件下ArcA失活使fadH轉(zhuǎn)錄增加3倍以上。長(zhǎng)鏈脂肪酸可誘導(dǎo)fadH的表達(dá)［20］。

近代以來(lái)，霍布斯在將計(jì)算與心智結(jié)合的過(guò)程中扮演了重要的角色，而萊布尼茨為霍布斯的“革命性”嘗試搭建了機(jī)械化平臺(tái)?；舨妓故堑谝粋€(gè)清晰地把思維的句法表述為“計(jì)算”的人，他認(rèn)為，思維就是以計(jì)算的形式，處理那些具有普遍性的詞，由此開始了通過(guò)數(shù)字的形式把握人類認(rèn)知的研究。萊布尼茨設(shè)計(jì)了一種推理機(jī)器，即“機(jī)器推理者”，用它模擬人類思維的過(guò)程。根據(jù)萊布尼茨的解釋，這種推理機(jī)器能夠獨(dú)立執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)，推理沒(méi)有必要假借他人之力。盡管這樣的認(rèn)知系統(tǒng)完全是機(jī)械的，跟現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)沒(méi)有可比性，但是它誕生的意義是非凡的，因?yàn)樗豢醋魇求w現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算主義思想萌芽的最早成果。

?；o酶A硫酯酶（FadM） FadM是一種長(zhǎng)鏈酰基輔酶A硫酯酶，由132個(gè)氨基酸殘基組成，分子量接近15 kD。fadM又名ybaW，屬于脂肪酸降解調(diào)節(jié)子的新成員，F(xiàn)adR和全局性調(diào)控因子CRP均負(fù)調(diào)控fadM的表達(dá)［21-22］。當(dāng)大腸桿菌以不飽和脂肪酸油酸為唯一碳源生長(zhǎng)時(shí)，大部分油酸通過(guò)β-氧化途徑完全降解，大約10%的油酸降解為3，5-順式-十四碳二烯酰輔酶A，該中間產(chǎn)物是脂肪酸β-氧化抑制物。FadM可切割3，5-順式-十四碳二烯酰輔酶A的硫酯鍵，生成 3，5-順式-十四二烯酸，并釋放到生長(zhǎng)培養(yǎng)基中，在不飽和脂肪酸β-氧化過(guò)程中起解毒功能［23-24］。

2 其他細(xì)菌中脂肪酸β-氧化研究

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis） 枯草芽孢桿菌和大腸桿菌的脂肪酸β-氧化途徑相似，可產(chǎn)生相同類型的中間代謝產(chǎn)物，且終產(chǎn)物均為乙酰輔酶A［25-27］。二者的主要區(qū)別在于前者具有分解支鏈脂肪酸的能力［26］?？莶菅挎邨U菌中全局性轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子FadR抑制所有參與脂肪酸降解關(guān)鍵酶的編碼基因，其活性可被長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A抑制［27］。與大腸桿菌的FadD（內(nèi)膜蛋白）不同，枯草芽孢桿菌脂酰輔酶A合成酶LcfA和LcfB是可溶性蛋白［26］?？莶菅挎邨U菌有多個(gè)參與脂肪酸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可顯著影響其對(duì)脂肪酸的利用［27］。

副豬嗜血桿菌（Haemophilus parasuis） 副豬嗜血桿菌是一種常見(jiàn)的豬上呼吸道致病菌和格拉瑟氏?。℅l?sser disease）的病原體，感染可導(dǎo)致纖維素性多發(fā)性漿膜炎、關(guān)節(jié)炎和腦膜炎，是造成豬高死亡率的主要原因［28］。副豬嗜血桿菌SC096中包含兩個(gè)FadD的同源蛋白HAPS_0217和 HAPS_1695（分別稱為FadD1和FadD2），都包含ATP/AMP和FACS（fatty acid-CoA ligases）保守結(jié)構(gòu)域，與大腸桿菌FadD的氨基酸序列相似性很高。FadD對(duì)副豬嗜血桿菌的生存至關(guān)重要，單敲除fadD1或fadD2的突變菌株易于構(gòu)建，但雙敲除菌株難以獲得，雙敲除fadD1和fadD2基因能夠有效抑制其群體數(shù)量［28］。研究表明，F(xiàn)adD與副豬嗜血桿菌的致病性密切相關(guān)［28-30］。

分枝桿菌（Mycobacterium） 結(jié)核分枝桿菌（M.tuberculosis）是結(jié)核病的病原體，是全球第九大死亡原因［31］。恥垢分枝桿菌（M.smegmatis）具有快速生長(zhǎng)、無(wú)致病性、與結(jié)核分枝桿菌基因高度同源、細(xì)胞結(jié)構(gòu)相似等特點(diǎn)，是分枝桿菌感染及相關(guān)免疫學(xué)研究的模式菌株。分枝桿菌的一個(gè)重要特征是細(xì)胞壁含有大量脂質(zhì)分枝菌酸。結(jié)核分枝桿菌基因組中編碼了一百多個(gè)與脂肪酸β-氧化相關(guān)的基因［32］。Venkatesan等［32］鑒定并解析了其脂肪酸β-氧化多酶復(fù)合體（trifunctional enzyme，TFE）的晶體結(jié)構(gòu)。TFE是一種由兩分子FadA和兩分子FadB組成的復(fù)合體，能催化脂肪酸β-氧化中水合、脫氫及硫解三種反應(yīng)［32］。另外，Cox等［31］報(bào)道了FadB2無(wú)配體晶體的結(jié)構(gòu)。FadB2結(jié)晶為二聚體，每個(gè)不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)基元有三個(gè)獨(dú)特的二聚體拷貝，根據(jù)STRING蛋白網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)（https://www.string-db.org）的查詢可知，F(xiàn)adB2可能在功能上（或物理上）與烯酰輔酶A水合酶FadB8和硫解酶FadA2、FadA3、FadA4或FadA6結(jié)合。轉(zhuǎn)錄因子KstR和KstR2調(diào)控結(jié)核分枝桿菌胞內(nèi)膽固醇的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和β-氧化過(guò)程［33-34］。

最近，Xu等［35］在恥垢分枝桿菌中鑒定出一個(gè)TetR-型轉(zhuǎn)錄因子MmbR，其參與調(diào)控脂肪酸β-氧化及生物膜的形成，對(duì)維持恥垢分枝桿菌的脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。敲除mmbR會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂肪酸含量顯著降低，生物膜的相對(duì)脂質(zhì)組成減少。MmbR負(fù)調(diào)控脂肪酸β-氧化的一組核心基因（如脂酰輔酶A合成酶編碼基因MSMEG_2231、?；o酶A脫氫酶編碼基因MSMEG_0714、烯酰輔酶A水合酶/異構(gòu)酶編碼基因MSMEG_2223、3-羥酰輔酶A脫氫酶編碼基因MSMEG_2279、硫酯酶編碼基因MSMEG_2236等約60個(gè)基因）的表達(dá)。另外，長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A和脂肪酸對(duì)MmbR與DNA的特異性結(jié)合具有抑制作用［35］。

黃色黏球菌（Myxococcus xanthus） 黃色黏球菌細(xì)胞在子實(shí)體發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)生含有三酰甘油酯的脂質(zhì)體，是研究脂質(zhì)代謝對(duì)細(xì)胞生理與發(fā)育影響的模式生物［36-37］。黃色黏球菌基因組中實(shí)際有兩套脂肪酸β-氧化基因，即同源性分析發(fā)現(xiàn)基因組中包含兩組與fadA和fadB同源的基因，MXAN_5371（標(biāo)注為脫氫酶編碼基因fadJ）和MXAN_5372（標(biāo)注為硫解酶編碼基因fadI）以及MXAN_6987（標(biāo)注為fadJ）和MXAN_6998（標(biāo)注為fadI）。其中，MXAN_5371和MXAN_5372在黃色黏球菌生長(zhǎng)至脂質(zhì)體積累的高峰期（18 h）表達(dá)量上調(diào)，而MXAN_6987和MXAN_6998的表達(dá)量無(wú)變化［38-39］。敲除fadJ（MXAN_5371和MXAN_6987）和fadI（MXAN_5372）基因會(huì)嚴(yán)重影響黃色黏球菌的多細(xì)胞形態(tài)發(fā)生和孢子形成［36］。

銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa） 銅綠假單胞菌是常見(jiàn)的環(huán)境微生物，也是重要的條件致病菌，可通過(guò)降解肺表面活性物質(zhì)的重要成分磷脂酰膽堿引起肺纖維化。磷脂酰膽堿的主要成分之一是長(zhǎng)鏈脂肪酸，其降解主要通過(guò)β-氧化途徑進(jìn)行。銅綠假單胞菌PAO1菌株包含兩個(gè)脂酰輔酶A合成酶基因，分別命名為fadD1和fadD2，兩個(gè)FadD都包含ATP/AMP和脂肪酸結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，與大腸桿菌FadD高度同源。FadD1（PA3299）具有長(zhǎng)鏈脂肪酸底物的特異性，而FadD2（PA3300）偏愛(ài)短鏈脂肪酸。fadD2突變株的脂肪酶、蛋白酶、鼠梨糖脂和磷脂酶分泌量下降，游動(dòng)性和群集效應(yīng)減弱，而fadD1突變株僅表現(xiàn)出群集效應(yīng)能力增強(qiáng)。此外，參與脂肪酸降解的基因還包括fadAB1（PA1737& PA1736）、fadAB4（PA4786 & PA4785）以及fadBA5（PA3014 & PA3013）三個(gè)操縱子［40］。PsrA（PA3006）是銅綠假單胞菌中一個(gè)調(diào)控因子，結(jié)合并響應(yīng)長(zhǎng)鏈脂肪酸信號(hào)，調(diào)控fadBA5的表達(dá)。在囊性纖維化患者肺部感染期患者體內(nèi)，降解長(zhǎng)鏈脂肪酸的β-氧化酶會(huì)高效表達(dá)，這與銅綠假單胞菌的營(yíng)養(yǎng)獲取和致病機(jī)制相關(guān)［41］。

Zhang等［42］發(fā)現(xiàn)，添加十八烷酸到銅綠假單胞培養(yǎng)體系后，鼠李糖脂生物合成基因rhlA和rhlB的表達(dá)量提高了200～600倍，fadA的表達(dá)量提高了3～4倍，鼠李糖脂的產(chǎn)量顯著增加。鼠李糖脂作為“綠色”表面活性劑，在工業(yè)、修復(fù)和醫(yī)藥領(lǐng)域有多種潛在應(yīng)用。

羅爾斯通氏菌（Ralstonia eutropha） 羅爾斯通氏菌為革蘭氏陰性β-變形菌，是生物技術(shù)中常用的微生物，能夠利用脂肪酸代謝產(chǎn)生的乙酰輔酶A生產(chǎn)大量胞內(nèi)聚羥基烷酸（polyhydroxyalkanoate，PHA）生物聚合物，亦可利用脂肪酸代謝中間產(chǎn)物合成不同的PHA前體。PHA具有熱塑性和可生物降解特性，可作為塑料的替代品。通過(guò)改變羅爾斯通氏菌的脂質(zhì)和脂肪酸的代謝通路，還可將碳轉(zhuǎn)化為其他有附加值的化合物，如生物燃料［43］。通過(guò)基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)，羅爾斯通氏菌H16有兩個(gè)操縱子與脂肪酸β-氧化相關(guān)［25,44］。烯酰輔酶A水合酶FadB（H16_A0461）和FadB1（H16_A1526）分別存在于兩個(gè)操縱子中。單個(gè)缺失這兩個(gè)操縱子對(duì)其在脂肪酸作為唯一碳源的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)沒(méi)有顯著影響，而兩個(gè)操縱子同時(shí)敲除的菌株不能在脂肪酸作為唯一碳源的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)［45-46］。

腸道沙門氏菌（Salmonella enterica） 長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為大腸桿菌和沙門氏菌具有相同的脂肪酸降解途徑。最近研究表明，二者的β-氧化系統(tǒng)在功能上存在差異［47］。腸道沙門氏菌能在癸酸作為唯一碳源的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，而野生型大腸桿菌菌株則不能。辛酸等中鏈脂肪酸可被腸道沙門氏菌完全降解為乙酰輔酶A，大腸桿菌則不能完全降解這些中鏈脂肪酸，這些功能上的差異很可能源于兩個(gè)菌株中FadE和FadBA酶活性的不同［47］。沙門氏菌fadD突變體中的重要調(diào)控基因hilA的表達(dá)量顯著下降，突變體對(duì)HEp-2細(xì)胞系的侵染能力降低［48］。PhoP/PhoQ雙組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)于鼠傷寒沙門氏菌致病性極為重要。Lesley等［49］指出，脂肪酸β-氧化產(chǎn)生的乙酰輔酶A對(duì)PhoQ的自激酶活性有抑制作用，因此脂肪酸β-氧化與沙門氏菌的致病性相關(guān)。另外，Viarengo等［50］發(fā)現(xiàn)，游離不飽和長(zhǎng)鏈游離脂肪酸能特異性抑制PhoP/PhoQ系統(tǒng)，通過(guò)敲除脂肪酸代謝相關(guān)基因fadL、fadD或fadBA進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)鏈不飽和脂肪酸對(duì)PhoP/PhoQ系統(tǒng)的抑制作用亦可獨(dú)立于脂肪酸β-氧化代謝途徑。

天藍(lán)鏈霉菌（Streptomyces coelicolor） 天藍(lán)鏈霉菌常用于生產(chǎn)臨床使用的抗生素，是一種能夠積累甘油三酯（triacylglycerol，TAG）作為碳和能量?jī)?chǔ)備的油脂原核生物。由于脂酰基是高度還原性的化合物，因此催化TAG降解能產(chǎn)生較高的能量［51］。天藍(lán)鏈霉菌能以C4—C18的外源脂肪酸作為唯一的碳源和能量來(lái)源，并分別以簡(jiǎn)單擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸機(jī)制吸收短鏈和長(zhǎng)鏈脂肪酸［52］。該菌不僅能利用脂肪酸合成膜的磷脂，還可以利用其合成中性脂質(zhì)儲(chǔ)能化合物（如TAG）［53-54］。Menendez-Bravo等［55］發(fā)現(xiàn)，天藍(lán)鏈霉菌基因組中有9個(gè)FadA的同源基因、3個(gè)FadB的同源基因以及14個(gè)FadE的同源基因。每個(gè)假定的fadB基因（SCO6026，SCO6732，SCO6789）都毗鄰對(duì)應(yīng)的fadA（SCO6027，SCO6731，SCO6788），表明可能存在共轉(zhuǎn)錄；且只有SCO6027-SCO6026（SCOfadAB_1）、SCO6731-SCO6732（SCOfadAB_2）和SCO6788-SCO6789（SCOfadAB_3）這三個(gè)基因簇與其他已測(cè)序鏈霉菌（如卡特利鏈霉菌、瘡茄病鏈霉菌和灰黃鏈霉菌等）相應(yīng)基因簇具有同源性和類似明顯的線性關(guān)系。所有fadAB基因簇的單敲除和雙敲除菌株（如SCOfadAB_1-SCOfadAB_2-雙敲除）均能在以不同鏈長(zhǎng)的脂肪酸作為唯一碳源的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，且其生長(zhǎng)速率、菌落形態(tài)和抗生素產(chǎn)量與野生菌株無(wú)差異，但是，與野生型菌株相比，所有突變菌株的TAG積累量均顯著增加。結(jié)果表明，3個(gè)SCOfadAB基因簇均參與天藍(lán)鏈霉菌的脂肪酸β-氧化［55］?；诿赴被嵝蛄械南到y(tǒng)進(jìn)化樹分析可知：SCO6732和SCO6789與結(jié)核分枝桿菌和馬紅球菌中FadB序列相似性最高（61%～64%）；SCO6026與大腸桿菌、銅綠假單胞菌、陰溝腸桿菌和鼠傷寒沙門菌中的FadB序列更接近。另外在早期的研究中，Zhang等［56］發(fā)現(xiàn)來(lái)自天藍(lán)鏈霉菌的酰基輔酶A脫氫酶FadE（AF142581）能夠體外催化短鏈支鏈?；o酶A（如異丁酰輔酶A、異戊酰輔酶A）及直鏈?；o酶A（如n-丁酰輔酶A和n-戊酰輔酶A）的氧化反應(yīng)。

弧菌（Vibrio） 霍亂弧菌（Vibrio cholerae）是一種可引起流行性腹瀉疾病霍亂的革蘭氏陰性菌，脂肪酸代謝與霍亂弧菌的致病性密切相關(guān)［57］。霍亂弧菌基因組中與脂肪酸β-氧化相關(guān)的基因簇有psrA-fadE1（vc1741-vc1740）、fadE（vc2231）、fadBfadA（vc2758-2759）、fadD（vc1985）、fadH（vc1993）、fadI-fadJ（vc1046-1047）。fadI-fadJ是fadA-fadB的同源基因。FadR和TetR家族轉(zhuǎn)錄因子VC1741共同調(diào)節(jié)脂肪酸的降解。VC1741在體外直接與vc1741-fadE1、fadBA和fadIJ三個(gè)基因簇啟動(dòng)子結(jié)合，但不能與fadE基因的啟動(dòng)子結(jié)合［58］。敲除fadD顯著降低了霍亂弧菌中主要毒力基因toxT、ctxAB和tcpA的表達(dá)，從而顯著降低霍亂弧菌的致病性［59-60］。

創(chuàng)傷弧菌（Vibrio vulnificus）能引起嚴(yán)重的傷口感染和致命的敗血癥。Brown等［61］在研究創(chuàng)傷弧菌時(shí)首次提出FadR在病原體感染動(dòng)物宿主的能力中所起的作用，其機(jī)制與脂肪酸的代謝密切相關(guān)。FadR缺失不僅導(dǎo)致其生長(zhǎng)速度下降，膜內(nèi)不飽和脂肪酸水平也同時(shí)降低，對(duì)小鼠的感染能力缺失。有趣的是，在體外和體內(nèi)補(bǔ)充不飽和脂肪酸又可以恢復(fù)生長(zhǎng)和感染能力。fadR缺失突變導(dǎo)致創(chuàng)傷弧菌對(duì)淺藍(lán)菌素更加敏感，fab相關(guān)基因表達(dá)明顯下降，飽和脂肪酸的量升高約12%［61］。

3 DSF-家族群體感應(yīng)信號(hào)分子的β-氧化機(jī)制

黃單胞菌是一類革蘭氏陰性植物病原細(xì)菌，可以侵染400多種主糧和經(jīng)濟(jì)作物，包括水稻、小麥、柑橘、番茄、胡椒、木薯、香蕉、大豆和十字花科蔬菜等［62］。所有黃單胞菌均可合成和分泌一類DSF-家族群體感應(yīng)信號(hào)分子作為語(yǔ)言來(lái)相互交流、感應(yīng)群體密度、調(diào)控致病因子表達(dá)［63-65］。野油菜黃單胞菌（X.campestrispv.campestris，Xcc）中鑒定的主要DSF-家族群體感應(yīng)信號(hào)分子都屬于一類順式不飽和中鏈脂肪酸，包括順-11-甲基-2-十二碳烯酸（cis-11-methyl-2-dodecenoic acid，DSF），順式-2-十二碳烯酸（cis-2-dodecenoic acid，BDSF），順式，順式-11-甲基十二烷基-2，5-二烯酸（cis，cis-11-methyldodeca-2，5-dienoic acid，CDSF）和順式-10-甲基-2-十二碳烯酸（cis-10-methyl-2-dodecenoic acid，IDSF）［66-70］。Barber等［71］和Slater等［72］發(fā)現(xiàn)，在野油菜黃單胞菌培養(yǎng)過(guò)程中，DSF活性在靜止生長(zhǎng)早期水平較高，隨后則快速降低；Wang等［67］鑒定了DSF的化學(xué)結(jié)構(gòu)后，進(jìn)一步證實(shí)了DSF信號(hào)分子濃度在野油菜黃單胞菌生長(zhǎng)早期至對(duì)數(shù)期較低，隨后迅速升高，在后期又迅速降低；在水稻白葉枯病菌（X.oryzaepv.oryzae，Xoo）KACC10331培養(yǎng)過(guò)程中，He等［73］發(fā)現(xiàn)BDSF水平在靜止生長(zhǎng)早期達(dá)到高峰，隨后降低。這些現(xiàn)象都表明黃單胞菌中存在天然的群體感應(yīng)信號(hào)反轉(zhuǎn)（turnover）現(xiàn)象。

Bi等［74］詳細(xì)分析了野油菜黃單胞菌中的rpfB基因的生化和遺傳學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)rpfB可以替代大腸桿菌β-氧化途徑中的脂酰輔酶A合成酶基因fadD的功能；野油菜黃單胞菌rpfB缺失突變體不能在以脂肪酸作為唯一碳源的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，因此，RpfB具有脂酰輔酶A合成酶活性。在體外反應(yīng)條件下，純化的RpfB能夠?qū)⒉煌滈L(zhǎng)的脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠漭o酶A酯，因此Bi等［74］認(rèn)為經(jīng)RpfB激活的脂酰輔酶A酯在體內(nèi)可能被菌株用于膜脂合成，也可能經(jīng)脂肪酸β-氧化途徑被進(jìn)一步代謝。為了進(jìn)一步研究RpfB的酶活性，Zhou等［70］建立了基于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用方法定量檢測(cè)DSF。利用該檢測(cè)方法，Wang等［67］、Zhou等［75］發(fā)現(xiàn)：敲除野油菜黃單胞菌或水稻白葉枯病菌中的rpfB能夠顯著增加DSF和BDSF的生物合成，在野油菜黃單胞菌中過(guò)表達(dá)rpfB或fadD則顯著降低這兩種信號(hào)分子的生物合成；rpfB過(guò)表達(dá)菌株能快速降解外源添加的DSF和BDSF，而敲除株則無(wú)降解能力。點(diǎn)突變脂酰輔酶A連接酶RpfB的必需氨基酸殘基E365能顯著影響其降解DSF信號(hào)分子的活性，因此，在野油菜黃單胞菌和水稻白葉枯病菌中RpfB參與DSF和BDSF信號(hào)分子的降解。此外，野油菜黃單胞菌基因組上也包含參與大腸桿菌脂肪酸β-氧化所需其他基因的同源基因，如fadA（Xcc1978）、fadB（Xcc1979，Xcc0810）、fadJ（Xcc1266）、fadE（Xcc2870）和fadH（Xcc0933）。初步研究結(jié)果證實(shí)Xcc1979和Xcc1978參與DSF降解，雖然其他基因的功能尚待驗(yàn)證，但DSF家族群體感應(yīng)信號(hào)分子降解途徑之一應(yīng)該通過(guò)脂肪酸β-氧化途徑。

與大腸桿菌脂肪酸β-氧化途徑與機(jī)理相比，黃單胞菌中DSF信號(hào)分子β-氧化至少存在以下兩點(diǎn)獨(dú)特現(xiàn)象：1）需要一個(gè)差向異構(gòu)酶將2位順式雙鍵形成的（R）-3-羥酰輔酶A中間體轉(zhuǎn)化為（S）-3-羥酰輔酶A才能繼續(xù)氧化，這個(gè)差向異構(gòu)酶可能來(lái)自FadB（Xcc1979）；2）黃單胞菌中缺少大腸桿菌中調(diào)控蛋白FadR的同源基因，rpfB的表達(dá)直接受一個(gè)全局性轉(zhuǎn)錄因子Clp調(diào)控［70,76］。

非黃單胞菌也合成DSF-家族群體感應(yīng)信號(hào)。銅綠假單胞菌合成順式-2-癸烯酸 （cis-2-decenoic acid）誘導(dǎo)生物膜分散［77］；苛養(yǎng)木桿菌（Xylella fastidiosa）產(chǎn)生順式-2-十四碳烯酸（cis-2-tetradecenoic acid,XfDSF1）和順式-2-十六碳烯酸（cis-2-hexadecenoic acid,XfDSF2）［78-79］；革蘭氏陽(yáng)性菌變形鏈球菌（Streptococcus mutans）可產(chǎn)生反式-2-癸烯酸SDSF（trans-2-docanoic acid），抑制白色念珠菌從酵母菌形態(tài)向菌絲形態(tài)的轉(zhuǎn)變［80］。

rpfB、rpfF、rpfC、rpfG基因存在于所有已測(cè)序的黃單胞菌屬細(xì)菌中。同源的基因簇也存在于苛養(yǎng)木桿菌（Xylella fastidiosa）、寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）、溶桿菌（Lysobacter dokdonensis）DS-58、褐色假黃單胞菌（Pseudoxanthomonas spadix）BDA-59、鞭毛甲基小桿菌（Methylobacillus flagellatus）和脫氮硫桿菌（Thiobacillus denitrificans）中。銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和伯克霍爾德菌（Burkholderia cenocepacia）也合成BDSF或類似結(jié)構(gòu)的信號(hào)分子，兩種菌株中也存在RpfB的同源蛋白［76］。最近，Li等［81］在產(chǎn)酶溶桿菌中鑒定出的兩個(gè)RpfB同源蛋白均參與脂肪酸代謝，影響代謝產(chǎn)物HSAF的生物合成。因此，RpfB依賴的脂肪酸β-氧化機(jī)制可能是細(xì)菌中一類比較保守的氧化機(jī)制。

4 特殊結(jié)構(gòu)脂肪酸的β-氧化途徑與機(jī)理

常見(jiàn)的偶數(shù)碳飽和脂肪酸通過(guò)圖1所示的β-氧化途徑就可以完成代謝，但是，在生物體內(nèi)還存在帶有特殊結(jié)構(gòu)的脂肪酸，如超長(zhǎng)鏈脂肪酸（22個(gè)碳原子以上）、不飽和脂肪酸和支鏈脂肪酸等?；谀壳暗难芯拷Y(jié)果，這些特殊結(jié)構(gòu)脂肪酸的基本氧化途徑應(yīng)該與常見(jiàn)的偶數(shù)碳飽和脂肪酸的β-氧化代謝途徑類似，只不過(guò)針對(duì)其特殊的結(jié)構(gòu)或基團(tuán)需要相應(yīng)的特殊酶參與修飾，修飾后的酯酰輔酶A再進(jìn)入偶數(shù)碳飽和脂肪酸的β-氧化途徑［1］。

超長(zhǎng)鏈脂肪酸的α-氧化和β-氧化 細(xì)菌能夠通過(guò)β-氧化降解?；滈L(zhǎng)度超過(guò)20的脂肪酸，且針對(duì)不同底物的β-氧化，至少有三種不同的氧化策略，包括獲得異構(gòu)體、利用適應(yīng)性活性位點(diǎn)和非同系酶的功能整合［1］。而真核生物細(xì)胞內(nèi)超長(zhǎng)鏈脂肪酸（C18—C26）的氧化會(huì)先在過(guò)氧化物酶體結(jié)構(gòu)中完成，其α-氧化途徑過(guò)程基本與線粒體中的β-氧化途徑相似，但催化的酶卻有所不同。最明顯差別是第一步催化酶不是脫氫酶而是氧化酶（acyl-CoA oxidase），催化形成trans-Δ2-enoyl-CoA和過(guò)氧化氫。Trans-Δ2-enoyl-CoA遵循β-氧化途徑，經(jīng)過(guò)多輪循環(huán)得到鏈縮短的β-keto-acyl-CoA，然后轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中通過(guò)β-氧化途徑完全氧化。細(xì)菌中超長(zhǎng)鏈脂肪酸的降解是否遵循同樣機(jī)制有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

不飽和脂肪酸的β-氧化 由于偶數(shù)碳飽和脂肪酸的β-氧化途徑中專門有FadE-介導(dǎo)的脫氫形成雙鍵反應(yīng)，因此，不飽和脂肪酸中每個(gè)雙鍵要少一次脂酰輔酶A脫氫過(guò)程，減少一個(gè)FADH2的產(chǎn)生。除了雙鍵導(dǎo)致的能量差異之外，雙鍵的位置和構(gòu)型也會(huì)影響β-氧化的進(jìn)行。雙鍵在脂酰輔酶A的3位時(shí)也不能被脂酰輔酶A脫氫酶催化，需要額外的異構(gòu)酶異構(gòu)到2位才行；此反應(yīng)由Δ3-烯脂酰輔酶A異構(gòu)酶1（cis-Δ3-enoyl CoA isomerase，ECI1）催化，不論順式和反式，均生成2位的反式雙鍵。例如油酸在9位有一個(gè)順式雙鍵，三個(gè)循環(huán)后形成Δ3-順烯脂酰輔酶A，經(jīng)異構(gòu)生成Δ2-反烯脂酰輔酶A，即可繼續(xù)氧化。雙鍵在脂酰輔酶A的2位時(shí)，該2位雙鍵不論順式還是反式都可以被水化為β-羥脂酰輔酶A，但順式2位雙鍵水化生成的是D-型產(chǎn)物，該D-型產(chǎn)物還需要在β-羥脂酰輔酶A差向異構(gòu)酶（epimerase）作用下轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)-型，才能繼續(xù)被氧化。含有多個(gè)不飽和雙鍵的脂肪酸氧化與單個(gè)雙鍵脂肪酸類似，兩個(gè)雙鍵位置分別位于2位和4位時(shí)構(gòu)成2，4-位的共軛雙鍵，還需要消耗一個(gè)NADPH，由2，4-二烯酰輔酶A還原酶（2，4-Dienoyl CoA reductase，DECR1）將其還原生成帶3位反式雙鍵的Δ3-反烯脂酰輔酶A（trans-Δ3-enoyl CoA），再由Δ3-烯脂酰輔酶A異構(gòu)酶異構(gòu)到2位形成Δ2-反烯脂酰輔酶A后進(jìn)入正常β-氧化途徑。

β位有甲基側(cè)鏈脂肪酸的β-氧化 具有甲基結(jié)構(gòu)的脂肪酸可與某些代謝途徑耦聯(lián)（如α-氧化途徑）再進(jìn)一步發(fā)生β-氧化，或者利用活性位點(diǎn)的多樣性、引入輔助酶和利用異源酶進(jìn)一步完成脂肪酸氧化［1］。α-氧化途徑主要用于降解一些特殊的脂肪酸，如3位（β位）帶有側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的脂肪酸。α-氧化先由酯酰輔酶A羥化酶（hydroxylase）在α-位（C2位）羥化形成2-羥基酯酰輔酶A，然后由2-羥基酯酰輔酶A裂解酶（lyase）在1、2位之間裂解，放出一個(gè)甲酰輔酶A，得到截短一個(gè)碳的脂肪醛，通過(guò)脫氫酶（dehydrogenase）轉(zhuǎn)化為脂肪酸，再進(jìn)行正常氧化、活化和β-氧化降解。

脂肪酸的ω-氧化 ω-氧化可以在脂肪酸的末位碳上引入羥基，再依次氧化為醛基和羧基，形成二羧酸。參與的酶依次為ω-羥化酶、醇脫氫酶和醛脫氫酶。ω-羥化酶屬于細(xì)胞色素P450家族，羥化反應(yīng)需要分子氧和NADPH。也有報(bào)道稱ω-氧化可以降解α-氯化脂肪酸［82］。有些微生物可以通過(guò)ω-氧化將烷烴轉(zhuǎn)化為脂肪酸，可用于環(huán)保方面，如清除泄漏的石油之類。ω-氧化通常是次要脂肪酸氧化途徑。在某些病理狀態(tài)下，如糖尿病，長(zhǎng)期飲酒和饑餓時(shí)，或者肉堿穿梭缺陷導(dǎo)致β-氧化被阻斷時(shí)，相關(guān)中間體會(huì)積聚，此時(shí)ω-氧化就會(huì)作為一種補(bǔ)償而上調(diào)［83］。

5 總結(jié)與展望

目前大腸桿菌中偶數(shù)碳飽和脂肪酸降解途徑中的關(guān)鍵酶的功能、多酶復(fù)合體、代謝途徑和調(diào)控機(jī)理已基本闡明，是初級(jí)代謝中研究得最為透徹的代謝途徑之一，其他細(xì)菌中脂肪酸的氧化途徑和機(jī)理也正逐步展開。作者認(rèn)為以下幾個(gè)方面有待深入探究：1）脂肪酸降解途徑中的多個(gè)步驟通過(guò)FadBA復(fù)合體完成，其底物的選擇性和酶活性及其分子機(jī)理有待進(jìn)一步闡明；2）參與細(xì)菌中許多特殊結(jié)構(gòu)的脂肪酸降解的基因及其作用機(jī)理還有待深入研究；3）細(xì)菌中脂肪酸β-氧化過(guò)程中關(guān)鍵酶的多態(tài)性及其生物學(xué)功能值得研究；4）細(xì)菌中脂肪酸β-氧化途徑與其他代謝途徑的關(guān)聯(lián)和交叉值得深入研究；5）利用合成生物學(xué)原理改造β-氧化途徑，合成有應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品應(yīng)該是未來(lái)的一個(gè)重要方向；6）在動(dòng)植物與微生物互作條件下，脂肪酸降解途徑介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)及免疫應(yīng)答分子機(jī)制值得深入探究。上述問(wèn)題的闡明將有助于深入了解細(xì)菌生存及環(huán)境適應(yīng)性機(jī)理，為利用、改造和防控細(xì)菌提供了豐富的新靶點(diǎn)和新思路。