【LorMe周刊】从蛋白质到多糖：解蛋白梭菌的生活方式和遗传进化
导读
降解木质纤维素的微生物群落功能是由物种和菌株水平的高度复杂性，以及纤维素分解微生物和非纤维素分解微生物之间的协同共同决定的。解蛋白梭菌（Coprothermobacter proteolyticus）通常被认为能发酵蛋白质底物而不能进行多糖水解，却在嗜热木质纤维素降解菌群中占主导地位且分布广泛。本文富集了一个由热纤维梭菌和解蛋白梭菌组成的高效纤维素降解菌群（SEM1b），并对SEM1b菌群进行宏转录组研究。发现其中解蛋白梭菌的CAZyme在SEM1b不同生命阶段表达，推测菌群中存在更深层的微生物相互作用，这种互作提高了菌群的纤维素降解能力。进一步研究发现，存在于SEM1b中的解蛋白梭菌属由进化关系较近的菌株组成，这些菌株通过水平基因转移获得了具有CAZyme活性的糖降解操纵子，能够在热纤维梭菌协同下降解植物和微生物细胞壁中存在的寡糖和较长多糖。这些相互作用使解蛋白梭菌代谢多样性提高并成为了纤维素降解菌群的主导微生物。
基于宏基因组的SEM1b菌群结构解析
从嗜热纤维素降解反应器中富集得到了一个纤维素降解菌群SEM1b菌群，对其进行连续传代培养和检测发现，SEM1b菌群是一个能够进行纤维素降解的简化微生物群落，其结构稳定，能够稳定传代。SEM1b菌群主要由7个种群组成，其中的一些包含了多个菌株。宏基因组分析显示，SEM1b菌群包含了11个宏基因组组装基因组（MAGs），其中8个是完整的。通过分析核糖体蛋白构建的一个系统树显示，在这8个完整的MAGs中，有一个MAG（COPR1）和解蛋白梭菌DSM 5265聚类到一起，两个MAGs（RCLO1和CLOS1）和梭状芽孢杆菌聚类到一起（图1）。RCLO1 和 CLOS1都编码广泛的多糖降解酶，它们分别编码297个和139个CAZymes基因。
图1 解蛋白梭菌和SEM1b菌群中MAGs的系统发育树
绿色的是参考基因组，蓝色是先前Frevar研究的MAGs，红色是本研究中的MAGs和分离基因组。点箭头表示在SEM1b MAGs和它们最近的亲属之间产生核苷酸同源性（括号中表示的百分比）。MAGs的完整性由绿点（>90%）和黄点（>80%）表示
解蛋白梭菌通过水平基因转移获得CAZymes基因
利用细胞培养的方法从SEM1b菌群中分离到了两株解蛋白梭菌BWF2A和 SW3C，对CORP1、BWF2A和 SW3C基因组进行注释并与解蛋白梭菌模式菌株DSM 5265基因组进行了比较，发现从SEM1b菌群中分离出来的这两株菌缺少了编码鞭毛的基因，但是这两株菌含有额外的基因，这些基因都位于A区域（图2），这个区域编码了由GH16、GH3和GH18组成的片段，这些基因具有多聚糖降解的潜力。对这些基因进行研究发现，它们的序列及组织结构都与来自厚壁菌门和热孢菌门的CAZymes基因具有高度的相似性和同源性（图2）。对A区域内CAZymes两侧附近的区域进行研究发现，在与厚壁菌门相似的基因的5’端区域，包含有原噬菌体的序列，而下游区域则存在着两个重组酶，因此BWF2A和 SW3C很可能是通过噬菌体介导的水平基因转移获得这一区域的基因片段，包括来自厚壁菌门的CAZyme基因及其操纵子序列。
从BWF2A和SW3C体内能够分离GH16基因序列，经异源表达之后，具有多聚糖降解的活性。但是单独在多聚糖底物上培养，BWF2A和 SW3C并不能生长，这表明分离的菌株可能需要特定的辅助因子或协同微生物来支持其获得相应的酶的活性。
图2 BWF2A和SW3C基因组中A区域编码CAZymes基因的共线性
在BWF2A和SW3C中编码的A区域内的酶的基因排布，以及在原始Frevar菌基因组和在两个厚壁菌门（Thermoanaerobacter, C. cellulolyticum, C. thermocellum）和嗜热菌门（T. africanus, F. nodosum, F. gondwanense, and Thermotoga maritima）中分离出的代表菌株基因组中发现的高度相似的操纵子；单个ORF之间的灰色阴影表示在每个ORF和在BWF2A和SW3C的A区域中编码的参考ORF之间的氨基酸序列一致性。星号表示具有生化特征的GH16酶
解蛋白梭菌在SEM1b菌群中表达CAZyms并且协同参与多糖降解
接着，作者对SEM1b菌群不同生长时期基因转录情况、纤维素降解、单糖浓度和蛋白浓度进行研究发现，解蛋白梭菌和热纤维梭菌及相关的种群在菌群不同生长时期都处于主导地位，它们丰度高，降解了主要的纤维素（图3A）。对解蛋白梭菌属的表达组数据进行聚类分析，一共有六个簇，其中第三和第四个簇与解蛋白梭菌相关，它们的表达都是在初期和后期/凋亡期表达上升。而与纤维素利用相关的表达，则是在SEM1b中期阶段较高（图3C）。这是因为在菌群生长周期最开始的阶段，由于先前培养的细胞残骸的存在，与解蛋白梭菌相关的MAGs进行了分解细胞残骸基因的表达；在随后的阶段，由于细胞残骸的耗尽，菌群开始利用纤维素，这时与木质纤维素降解相关的基因开始大量表达，进行纤维素的分解利用；在凋亡期，由于大量的细胞死亡，与解蛋白梭菌相关的利用细胞残骸的MAGs基因又开始大量表达（图3B）。
总而言之，SEM1b表达数据显示了菌群对细胞壁残骸和纤维素、半纤维素的连续分解，其中，解蛋白梭菌在SEM1b不同生命阶段能够分解细胞残骸并且在与其他梭状芽孢杆菌协同进行半纤维素底物的降解。
图3 对SEM1b菌群的meta分析
A．对16s rRNA基因进行扩增和宏数据分析,及纤维素降解率、单糖积累率和生长率（由总蛋白浓度估算）；B. BWF2A、SW3C和MAGs的基因表达树状图和CAZymes聚类。六个表达簇（I-VI）以不同的颜色显示在外环上；C. 六个表达簇在不同生命时期的表达情况
总结
本文通过细胞培养、宏基因组和宏转录组结合的研究，发现了一种在由近缘物种组成的菌群中的相互作用关系。通过这种相互作用，这个菌群中的解蛋白梭菌通过噬菌体介导的水平基因转移获得了CAZymes基因，代谢多样性提高，在菌群生长的初始阶段可利用的糖较低时，能够水解利用死亡细胞的细胞残骸，随后又能够与热纤维梭菌协同参与到糖酵解的过程中去，成为菌群降解半纤维素承担者，因而能够在全球范围内主导嗜热木质纤维素降解菌群。
论文信息
原名：From proteins to polysaccharides: lifestyle and genetic evolution of Coprothermobacter proteolyticus
译名：从蛋白质到多糖：解蛋白梭菌的生活方式和遗传进化
期刊：ISME Journal
IF：10.872
发表时间：2018.10
通讯作者：Benoit J. Kunath
通讯作者单位：挪威生命科学大学