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近日，深海生物學(xué)研究室深海生物活性物質(zhì)研究團(tuán)隊(duì)撰寫的論文“α-Pyrone mediates quorum sensing through the conservon system in Nocardiopsis sp.”于Microbiological Research期刊（生物學(xué)1區(qū)）在線發(fā)表，碩士畢業(yè)生朱柏羽為文章第一作者，韓壯副研究員為通信作者。該研究在馬里亞納海溝深淵來源菌株Nocardiopsis sp. LDBS0036中發(fā)現(xiàn)一種新的放線菌信號分子—α-吡喃酮 (α-pyrone)，這類化合物可以調(diào)節(jié)擬諾卡氏菌的群體感應(yīng)過程。同時，研究發(fā)現(xiàn)α-吡喃酮介導(dǎo)的調(diào)節(jié)機(jī)制在諾卡氏菌屬中較為普遍且在放線菌的種內(nèi)及種間相互作用中扮演著重要功能。因此，本文研究結(jié)果揭示了一種新型的群體感應(yīng)信號系統(tǒng)，這預(yù)示著目前仍有很多潛在的細(xì)菌通信模式尚未被發(fā)現(xiàn)。

微生物的群體感應(yīng)（Quorum Sensing）是一種微生物間的溝通交流機(jī)制，微生物通過釋放和感知信號分子（自誘導(dǎo)劑）來檢測種群密度和環(huán)境變化，并調(diào)節(jié)基因表達(dá)。當(dāng)種群密度達(dá)到某個閾值時，信號分子的濃度增加，觸發(fā)一系列基因表達(dá)，協(xié)調(diào)群體行為，如生物發(fā)光、生物膜形成、毒素和抗生素的產(chǎn)生。

放線菌能夠產(chǎn)生大量具有生物活性的次生代謝物，這些代謝物的生產(chǎn)通常由群體感應(yīng)信號分子調(diào)節(jié)。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了擬諾卡氏菌Nocardiopsissp. LDBS0036中的新型信號分子—α-吡喃酮 (α-pyrone)，且通過研究驗(yàn)證了α-吡喃酮的信號分子功能。結(jié)果顯示，小分子nocapyrone I可以介導(dǎo)菌株的群體感應(yīng)，誘導(dǎo)吩嗪類抗生素的產(chǎn)生（圖1a-c）。通過生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，菌株LDBS0036中吡喃酮合成基因上游存在一個多組分調(diào)控系統(tǒng)——Conservon。敲除該系統(tǒng)的基因后，吩嗪和吡喃酮的產(chǎn)量均受到影響，推測其用于接收和傳遞α-吡喃酮信號（圖2a）。

圖1 菌株LDBS0036中吡喃酮調(diào)控群體感應(yīng)和次級代謝

圖2 Conservon系統(tǒng)調(diào)控吩嗪的產(chǎn)生及其與吡喃酮合成基因在擬諾卡氏菌中的分布

分析發(fā)現(xiàn)，包含conservon系統(tǒng)的吡喃酮生物合成基因簇在放線菌擬諾卡氏屬（Nocardiopsis）中廣泛存在并高度保守（圖2e）。此外，吡喃酮同系物在鏈霉菌屬中也存在并且通過不同途徑合成。將代表性的擬諾卡氏菌及鏈霉菌發(fā)酵上清液添加到吡喃酮敲除型菌株?nprB后，恢復(fù)了吩嗪的產(chǎn)生（圖3a）。通過質(zhì)譜分析和構(gòu)建化合物的分子網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)能激活吩嗪產(chǎn)生的菌株中都可以產(chǎn)生吡喃酮類小分子（圖3b）。基于此，團(tuán)隊(duì)提出了不同來源、不同類型的α-吡喃酮類小分子介導(dǎo)放線菌種間及種內(nèi)相互作用的模型（圖3c）。該研究結(jié)果拓展了我們對放線菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的認(rèn)識，有助于在放線菌中激活沉默的活性代謝產(chǎn)物合成，同時也可以為合成生物學(xué)提供開關(guān)、生物傳感器和邏輯門等工具。

圖3 α-吡喃酮介導(dǎo)的種間及種內(nèi)相互作用

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，海南省重點(diǎn)研發(fā)計劃和全球深淵深潛探索計劃（Global TREnD）等項(xiàng)目的支持。

論文信息：Boyu Zhu(朱柏羽), Ziyun Cen(岑梓韻), Yiqiu Chen(陳以秋), Kun Shang(尚琨), Ji’an Zhai(翟吉安), Meigui Han(韓梅桂), Jiawei Wang(王佳偉), Zhiyong Chen(陳志勇), Taoshu Wei(魏韜書), Zhuang Han*(韓壯). α-Pyrone mediates quorum sensing through the conservon system in Nocardiopsis sp.. Microbiological Research., 2024, 285, 127767.

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.micres.2024.127767