【LorMe周刊】共享维生素:钴酰胺揭示群落中微生物相互作用
作者：曹文慧，南京农业大学硕士在读。主要研究根际资源调控根际微生物互作。
导读
地球上几乎每一种植物、动物和环境都是微生物群落的宿主，这些微生物相互影响，并影响着它们的环境。群落内的微生物通过竞争资源或共享有价值的营养物质在分子水平上相互作用，这种分子层面的互作会影响微生物个体的生理以及群落的整体功能。作为共享营养物质的钴酰胺，它是一个结构多样的辅因子家族（常见形式为维生素VB12），参与多种微生物的代谢过程，介导微生物之间的特定结合，并对不同物种的生长和代谢产生显著影响。由于钴酰胺只由部分细菌和古菌产生，因此大多数微生物依赖周围的物种来生产这种营养物质，产生了依赖钴酰胺的互作网络。该篇综述主要描述了研究钴酰胺作为共享营养物质的生物学作用途径，强调了关于钴酰胺介导微生物互作的近期重要发现，并讨论了将钴酰胺作为模型应用于微生物研究领域研究的挑战和机遇。
背景介绍
微生物群落存在于地球上所有的环境中。它们影响生物地球化学循环，调节宏观宿主的健康，并被用来生产人类感兴趣的化合物。为了了解调控微生物群落的潜在有益方式，科学家们正在积极研究构建微生物群落装配、组成和恢复力的机制。群落中存在一种营养共享的互作模式，即一种物种产生另一个物种需要的代谢物。那些不能产生所需代谢物的微生物群落，它们依赖于其他群落成员来获取必需的营养物质，如氨基酸、碱基或维生素。由于营养缺陷型微生物的普遍存在，微生物之间的营养共享被认为是微生物群落结构的重要驱动力。
在许多共享营养物质中，钴胺素以其作为人类必需的微量营养素而闻名（图1）。许多微生物使用钴胺素和其他钴酰胺进行多种代谢功能。钴酰胺有助于对环境产生影响的过程，包括产甲烷、生产有毒甲基汞和净化受污染的湖水。更常见的是，微生物利用钴酰胺进行初级和次级代谢，如各种碳源的分解代谢、核苷酸生物合成和天然产物生物合成。因此，钴酰胺在许多微生物环境中都很重要，包括人类肠道和海洋栖息地。此外，因为钴酰胺只由部分细菌和古生菌产生，大多数使用钴酰胺的有机体依赖其他物种来获得这些辅因子，这导致了基于钴酰胺共享的微生物相互作用。
图1 钴酰胺类化合物的结构多样性。（A）最典型的钴胺素（VB12）的化学结构；（B）三个较低的配体结构类别显示，它们有多个可变区域（R2到R6）。
钴酰胺作为研究微生物互作的模式营养物质
钴酰胺的化学多样性使其区别于其他维生素和大多数共享的营养物质。钴酰胺是一个由十几个酶辅因子组成的家族，这些辅因子都包含一个由环包围的化学反应性钴离子，但是这些辅因子在共价连接的低配体的特性上有所不同（图1A）钴酰胺根据其较低配体的结构分为三个化学类别：苯并咪唑基、嘌呤基和酚酰钴酰胺。（分别与苯并咪唑、嘌呤和酚类化合物一起称为低配体）（图1B）。低配位体的结构多样性很重要，因为在大多数情况下，钴酰胺依赖的代谢是根据较低的配体结构而变化的，并且支持不同生物体生长或酶活性的钴酰胺是不同的。
与其他在营养共享相互作用中研究的代谢物一样，钴酰胺被认为是普遍共享的，并且具有良好特性的生物合成途径，可用于预测天然系统中的钴酰胺介导的相互作用。使用钴酰胺模型进行营养共享互作研究包括以下优点：1）与氨基酸、核苷酸和大多数维生素不同，钴酰胺具有独特的光谱特征，使其易于识别，并提供与功能有关的化学和构象状态的信息；2）作为催化辅因子，钴酰胺在相对较低的外部浓度下是有效的，即使是很小浓度的钴酰胺也能显著影响微生物的生长；3）由于低配基结构的变化而产生的功能多样性使钴酰胺不仅适合营养共享，而且适合于各种类型的微生物相互作用。
钴酰胺在分子和组织水平上的选择性
钴酰胺以特定结构的方式调节微生物的生长和代谢，这是钴酰胺具有物种选择性的基础。迄今为止，几乎所有被测试使用不同钴酰胺的生物（包括细菌和真核生物）都表现出了钴酰胺的选择性。因此，了解钴酰胺影响不同代谢的机制对于阐明这些辅因子在微生物相互作用中的作用至关重要。许多分子因素被认为有助于钴酰胺依赖型微生物的生长，包括钴酰胺依赖型酶的选择性、不同钴酰胺的输入以及钴酰胺特异性基因调控反应。目前尚不清楚这些因素在多大程度上决定了钴酰胺依赖型微生物的生长。
实验室共培养中钴酰胺介导的相互作用
两种或两种以上生物的共培养通常用于在实验室研究营养共享的机制和动力学。除了实验证明微生物共享钴酰胺外，共培养还提供了一个易于操作的系统来研究钴酰胺介导的微生物相互作用的机制，很难从整体上分离群落。该文强调了来自三个不同栖息地的共培养系统，这些系统体现了钴酰胺共享的细微差别：涉及钴酰胺的不同类型的相互作用，微生物相互作用中酰胺选择性的重要性，以及钴酰胺可用性的代谢结果。
长期以来，钴酰胺共享相互作用的模型是藻-菌共生培养，细菌通过交换藻类中的固定碳来产生钴胺素。这些系统使研究营养共享机制和营养不良进化成为可能。例如，在含有Lobomonasrostrata和细菌Mesorhizobium loti的共培养中，细菌通过交换藻类中的固定碳来产生钴胺素，钴酰胺的共享对于两种生物的生长是必不可少的（图2A）。钴酰胺共享微生物联合体也对钴酰胺选择性在钴酰胺共享中的作用提供了理论依据。例如，捕食性变形虫LPG3需要猎物蓝藻和细菌V.cholerae来满足其营养需求。利用三体培养和分子遗传学模型，发现V.cholerae对制造钴胺素特别重要，因为变形虫不能使用蓝藻产生的假钴胺素（一种以腺嘌呤为较低配体的钴酰胺）。此外，V.cholerae可以将假钴胺素转化为钴胺素，满足变形虫对钴胺素的需求（图2B）。
图2 微生物联合体中的钴酰胺共享模型。（A）藻-菌共生培养；（B）捕食性变形虫联合体；（C）A.muciniphila与其他人类肠道细菌的共培养。
群落水平上的钴酰胺生物学
基因组学技术在探究微生物群落中钴酰胺共享的普遍性方面是非常有效的。钴酰胺的生物合成需要多达30个基因，具有很好的特性，易于在基因组中注释，并且可以通过基因含量预测苯并咪唑基和酚酰钴酰胺的产生。对所有已测序的细菌和特定环境中的群落进行的基因组解析，58%到69%的细菌不能从头产生钴胺，但高达86%的细菌使用钴酰胺（钴酰胺的使用取决于至少存在一种钴酰胺依赖型酶或输入者）（图3）；这些数据构成了广泛共享钴酰胺的基因组证据。
图3 钴酰胺的生产和使用在细菌间的分布。使用和生产钴胺的物种百分比来自不同环境的540个细菌基因组（a栏）、311个人类肠道细菌基因组（b栏）和11463个来自不同环境的细菌基因组（c栏）的生物信息学分析得出。
关于钴酰胺共享的公开问题和微生物领域的挑战
接下来作者讨论了三个关于钴酰胺共享的公开问题和微生物领域的挑战。1）认识环境对钴酰胺生物学的影响。一个生物体在其自然栖息地中的化学环境可以改变其在实验室环境中观察到的生理情况。细菌可以在不同的环境中合成不同的钴酰胺，因为低配体碱的加入不仅取决于生物合成酶的选择性，而且还取决于外源低配体碱的可用性。除了低配体碱基外，其他钴酰胺前体的存在也会影响钴酰胺的生物合成。有些生物体有部分的钴酰胺生物合成途径，只有在有合适的前体存在时才能产生钴酰胺。细胞外环境中的钴酰胺也可以通过调节生物体内钴酰胺相关途径的表达来影响原位代谢。2）了解钴酰胺共享的直接和间接问题。钴酰胺不仅通过依赖于钴酰胺的代谢，而且通过由钴酰胺依赖型反应引起的代谢网络变化来调节微生物的互作。因此，预测基于钴酰胺的互作可能不仅需要考虑到钴酰胺本身的共享，还需要考虑到由于钴酰胺催化反应而导致的生物体（或潜在的整个群落）代谢变化。3）钴酰胺生理的原位研究。实验室研究具有难以精确模拟环境条件以及培养微生物相关的挑战。原位研究钴酰胺介导的互作还可以解决空间结构在微生物相互作用中的重要性。目前已利用了宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学、代谢组学等工具帮助原位研究钴酰胺介导的互作。开发和应用这些工具在复杂的群落中使用，可成为在群落水平上研究钴酰胺生物学机制的一种途径。
由于钴酰胺结构和功能的多样性，作者希望未来将钴酰胺作为调控微生物代谢和生长的天然工具，而钴酰胺在细菌领域的广泛应用也使其成为调节群落组成和功能的有希望的候选药物。无论是作为干扰群落的工具，还是作为探索微生物互作本质问题的模型系统（图5），钴酰胺都是微生物生命复杂性和细微差别的例证。
图5 钴酰胺作为研究微生物相互作用的模型。
论文信息
原名：Sharing vitamins: Cobamides unveil microbial interactions
译名：共享维生素：钴酰胺揭示群落中微生物相互作用
期刊：Science
发表时间：2020.7
通讯作者：Michiko E. Taga
通讯作者单位：加州大学伯克利分校植物与微生物学系