海洋所在硅藻甲殼素代謝研究取得新進(jìn)展
近日,中科院海洋所海藻遺傳與發(fā)育團(tuán)隊(duì)在mSystems期刊發(fā)表題為“Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches”的研究論文。該論文綜合運(yùn)用了宏組學(xué)、基因組學(xué)及異源功能驗(yàn)證等方法解析海洋硅藻幾丁質(zhì)合酶,相關(guān)結(jié)果為幾丁質(zhì)合酶基因在各大洋及海洋真核微生物中的分布與豐度提供了新認(rèn)識(shí),也為硅藻β-甲殼素合成的生物學(xué)意義及調(diào)控機(jī)理研究打下了基礎(chǔ)。
硅藻是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者,海洋吸收的CO2約有40%由硅藻固定,與熱帶雨林固碳量相當(dāng)。甲殼素(又稱(chēng)幾丁質(zhì))是硅藻重要的碳積累產(chǎn)物,也是海洋環(huán)境中最重要的碳、氮來(lái)源。海洋每年可合成數(shù)十億噸甲殼素,其合成與降解對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)起著關(guān)鍵作用。盡管1965年就有報(bào)道硅藻能夠合成甲殼素,但是半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的研究側(cè)重于細(xì)胞學(xué)觀察和化學(xué)結(jié)構(gòu)分析,未有從分子生物學(xué)手段解析硅藻甲殼素合成與降解機(jī)理的報(bào)道。
前期,海洋所海藻遺傳與發(fā)育課題組與法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院藻類(lèi)基因組學(xué)團(tuán)隊(duì)合作,在硅藻甲殼素代謝機(jī)理解析方面開(kāi)展了原創(chuàng)性工作。結(jié)合多組學(xué)數(shù)據(jù)挖掘和特異基因(TpCDA、TwCDA)功能驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)中心綱硅藻甲殼素相關(guān)代謝酶具有葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等復(fù)雜的細(xì)胞定位,CDAs基因豐度更高,對(duì)長(zhǎng)鏈多聚甲殼素的催化能力更強(qiáng),且同時(shí)具有幾丁質(zhì)脫乙酰酶和幾丁質(zhì)酶的活性,相關(guān)結(jié)果解釋了中心綱硅藻甲殼素及其衍生物高合成能力的潛在原因(New Phytologist, 2019;Marine Drugs, 2021),也為殼聚糖、殼寡糖的綠色工業(yè)制備提供了新的思路(BMC Plant Biology,2021;Metabolites,2023)。
考慮到甲殼素對(duì)于全球碳氮循環(huán)的重要生態(tài)學(xué)意義,團(tuán)隊(duì)又著眼于Tara Oceans全球采樣大數(shù)據(jù),從硅藻宏轉(zhuǎn)錄組中挖掘了4939條甲殼素代謝關(guān)聯(lián)的基因序列,其中幾丁質(zhì)酶(Chitinase)主要存在于粒徑較大的硅藻種屬中,而幾丁質(zhì)結(jié)合蛋白(CBM_14)只在南大洋中有分布,表明其在極地環(huán)境中發(fā)揮某種特殊作用(圖1)。同時(shí),通過(guò)檢索海洋真核微生物轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)(MMETSP)、PhycoCosm及PLAZA硅藻組學(xué)數(shù)據(jù)集,發(fā)現(xiàn)除海鏈藻目之外,Mediophyceae和Thalassionemales或?yàn)?/span>潛在的β-甲殼素天然合成者。生物合成途徑機(jī)理研究繞不開(kāi)關(guān)鍵基因的功能驗(yàn)證,團(tuán)隊(duì)利用兩種高效的異源遺傳轉(zhuǎn)化體系(釀酒酵母和三角褐指藻),驗(yàn)證了假微型海鏈藻中幾丁質(zhì)合酶(TpCHS)具有催化甲殼素糖鏈合成的生物學(xué)功能。值得一提的是,在轉(zhuǎn)基因研究中,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象,即三角褐指藻雖然能夠高效表達(dá)TpCHS1,但細(xì)胞形態(tài)異常,生長(zhǎng)速率下降。結(jié)合激光共聚焦顯微觀察與細(xì)胞周期Marker基因表達(dá)量分析發(fā)現(xiàn),TpCHS1定位于高爾基體與細(xì)胞膜系統(tǒng),且與細(xì)胞分裂密切相關(guān),而過(guò)表達(dá)株系生長(zhǎng)速率下降可能與細(xì)胞周期調(diào)控中G2/M期檢驗(yàn)點(diǎn)受到抑制有關(guān)(圖2)。

圖1 甲殼素代謝相關(guān)基因在全球大洋的分布與豐度


圖2 TpCHS1亞細(xì)胞定位與Pt過(guò)表達(dá)株生長(zhǎng)曲線及與細(xì)胞周期Marker基因表達(dá)量
中科院海洋所副研究員邵展茹為論文第一作者,段德麟研究員與Chris Bowler教授為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及歐盟第七框架計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
相關(guān)論文:Shao ZR et al. 2023. Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches. mSystems, e011312223.
論文鏈接:https://journals.asm.org/doi/epub/10.1128/msystems.01131-22
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