第一章 緒論
1.2 微生物與重金屬
1.2.1 生物礦化作用 (biomineralization)
金屬在自然界的循環中，微生物扮演著主要的其中一環，因為有些金 屬離子是微生物必需的營養，所以微生物本身發展出一套代謝的機制，透 過其基因組產生的蛋白質來管理體內的金屬平衡，將多餘的金屬排出體外，
進 而 形 成 生 物 礦 化 作 用 (biomineralization)3 。 如 革 蘭 氏 陰 性 菌 (Gram-negative)中的耐金屬貪銅菌 (Cupriavidus metallidurans)，其含有許 多抵抗金屬的機制，可以透過抵抗基因組的調節來減少金屬在微生物體內
3
謝機制，在 mer 基因調節系統中，是當 MerR 調節蛋白結合汞離子時，其 錯合物會與啟動子結合，透過此方式控制並表現其他的基因組產生蛋白 (Fig. 1-2)。
Fig. 1-1 鏈 黴 菌 (Streptomyces lividans) 染 色 體 中 對 汞 的 調 節 基 因 組 mer4b。
Fig. 1-2 mer 調節基因系統啟動子機制。
(A) 在沒有汞的環境中，MerR 蛋白以二聚體的形式和啟動子結合，不利 於 RNA 聚合酶的附著，故後續基因的轉錄受到抑制。 (B)當環境中含有汞 離子時，MerR 蛋白則會與汞離子結合，並影響其與啟動子的結合，使 RNA 聚合酶得以作用4a。
除了汞之外，其他重金屬的調節因子和機制也陸續被發現，如鋅、鎘、
銅、鉛…等，而不同重金屬分別有各自的調節因子，這些轉錄調節因子都 被稱為 MerR 家族，因為這一類的蛋白質有相似的 N 端 DNA 結合的螺旋 結構 (N-terminal DNA-binding helix-turn-helix)和多種訊號辨識的 C 端5，
4
在 MerR 家族中，N 端都有類似的胺基酸序列與啟動子的結合形式有關；
C 端則是都有一段類似的胺基酸金屬結合根 (metal binding root, MBL)，每 種調節因子會與因應的金屬而有些微不同。
1.2.3 MerR 家族的轉錄調節因子 (transcriptional regulator of MerR family) 發現於鼠傷寒沙門氏菌 (Salmonella typhimurium)的調節基因組 gol (Fig.
1-3)，而 GolS 調節蛋白可以調控並表現 gol 基因組的三組基因，分別為 golT、 golB 和 golS 本身。
Fig. 1-3 S. typhimurium 染色體中的gol調節基因組。
除了鼠傷寒沙門氏菌 (Salmonella typhimurium)含有 gol 調節金的基因 組之外，耐金屬貪銅菌 (Cupriavidus metallidurans)也有相似功能的基因組。
除此之外，C. metallidurans 包含了多種重金屬抵抗基因組，使其能夠存活 在含有重金屬汙染的沉積物或是土壤中，所以在前面提到的生物礦化作用 (biomineralization)中，此微生物扮演著重要的角色。2009 年 Chuan He7針 對 C. metallidurans 調節金的基因組的研究，發表了調節基因組 cup 系統，
5
其基因組產生的調節蛋白 CupR 可以調控三組基因，分別為 cupC (可製造 運輸並排解重金屬的蛋白 CupC)、cupA (可製造輸送重金屬的膜上蛋白 CupA)和 cupR 自己 (Fig. 1-4)7。另外，作者挑了來自三種不同微生物中的 調節蛋白做基因序列的比較與檢視，分別為 C. metallidurans 對金離子的調 節蛋白 CupR、S. typhimurium 對金離子的調節蛋白 GolS 和 E. coli 對銅離 子的調節蛋白 CueR，這三種皆為 MerR 家族的調節蛋白 (Fig. 1-5)7。透過 Fig. 1-5 可以發現，三種不同的調控蛋白都有一段類似的金屬結合根 (metal binding root, MBL)，因為這些調控蛋白都是利用半胱氨酸 (cysteine)上的硫 基與金離子結合 (CueR 跟銅結合)，金屬於軟性金屬 (soft metal)，而金離 子為軟性路易斯酸 (soft Lewis acid)，故能與軟性路易斯鹼 (soft Lewis base) 的硫基形成穩定的錯合物8。
Fig. 1-4 C. metallidurans 染色體中，對金的調節基因組 cup 系統示意圖7。
Fig. 1-5 比 較 CueR (E. coli) 、 GolS (S. typhimurium) 和 CupR (C.
metallidurans)的 C 端金屬結合根的辨識序列7。
6