【LorMe周刊】外面的世界很精彩——链霉菌的胞外生物学
作者：薄纯斌，南京农业大学硕士在读，主要研究资源调控微生物互作。
链霉菌是一种可以形成气生菌丝体的土壤细菌，可以分泌大量的次生代谢产物，包括许多通过双精氨酸转运系统输出的蛋白。它们利用非催化底物结合蛋白质和水解酶从碳水化合物（如几丁质和纤维素）中获得可溶性营养物质，使它们能够与其他生物体相互作用。例如它们分泌的一些蛋白酶可以参与受抑制剂调节的胞外级联反应，这会导致营养菌丝体自相残杀，以支持气生菌丝体和孢子的形成。它们还可以通过分泌抗生素与真核生物互作，由于部分抗生素生物合成酶是胞外的，抗生素的产生通常受胞外信号分子的调节。比较基因组分析表明，胞外途径的基因获取在物种形成中发挥了重要作用。稀有密码子TTA存在于关键的多效性调控基因adpA和许多用于生产抗生素的特定途径的调控基因中，对胞外生物学有特殊的影响。
（注：本文只选取部分综述内容进行解读）
一、链霉菌的基因组编码的三种蛋白质分泌系统
与大多数其他原核生物类似，Sec途径是链霉菌跨细胞质膜输出蛋白质的主要途径。 天蓝色链霉菌基因组可以编码所有Sec成分，包括必需蛋白SecY和SecE，以及由相邻基因编码的SecD和SecF。以分泌蛋白为靶点的共转录和翻译后转录途径都存在。第二种蛋白质分泌系统是最近发现的革兰氏阳性特异性Esx或VII型分泌系统，它是在链霉菌中发现的，编码该分泌系统的基因具有Esx基因组特征，包括一个编码FtsK/ SpoIIIE-like ATPase的基因。一个或多个编码具有保守W-x-G氨基酸基序的小蛋白的基因。链霉菌中发现的第三个蛋白质转运系统，即Tat途径，与Sec的不同之处在于，它可以将预先折叠的蛋白质转运到细胞质膜上。
二、几丁质及其衍生物的吸收利用
几丁质的合成及链霉菌对其的抑制作用
几丁质的形成依赖于多种几丁质合成酶。几丁质合成酶需要尿苷酶作为底物，尿苷酶作为激活剂，但是它的最适pH和需要量因链霉菌种类不同而不同。一些链霉菌会产生几丁质合成酶的竞争性抑制剂，这可能有助于链霉菌与土壤中含有几丁质的生物竞争。不同的几丁质合成酶对这些抑制剂的敏感性不同，如图1右上所示，这些抑制剂包括复杂的肽基核苷，比如尼克霉素以及与催化位点结合的多抗霉素。
识别几丁质的工具
几丁质是含氮多糖中不常见的一种，链霉菌可以利用几丁质作为碳源和氮源，但是大多数细菌则不可以。链霉菌使用特殊的几丁质结合蛋白(CHBS) ，CHB与各种类型的几丁质相互作用非常强。但胶体几丁质的结合力较弱，胶体几丁质是天然几丁质经酸处理后的无定形形式。
链霉菌与含几丁质生物的相互作用
在橄榄绿链霉菌（高效分解几丁质）和子囊菌共培养过程中，链霉菌孢子首先萌发，然后产生exo-ChiO1几丁质酶，一些真菌孢子随之生长。如图1左上所示，链霉菌与真菌之间存在复杂的相互作用，链霉菌的菌丝以真菌菌丝为养分来源大量生长，最终真菌和链霉菌菌丝稳步增殖。这个过程会发生CHB1分子的聚合，以保证真菌和链霉菌的紧密接触，接着是若干个协同反应。在土壤微观系统中，携带exo-ChiO1基因的淡青紫链霉菌可高效降解地面几丁质或多育曲霉菌丝，并在线蚓的肠道中可以很好地生存，线蚓则以这种菌丝为食。几丁质合酶抑制剂具有抗真菌活性但不具有抗细菌活性，其内在机制可能是几丁质合酶抑制剂导致菌丝膨胀并最终破坏某些真菌。目前，人们已经研究了几丁质分解链霉菌作为对抗破坏性真菌的潜在生防制剂，例如防治黄瓜枯萎病的菌剂。
生态方面的考虑
链霉菌通过其大量的纤维素酶、木聚糖酶、木质纤维素酶和其他酶对有机物质进行分解。当不同种类和数量的碳源分别单独添加到含有链霉菌的生境中，纤维素或木质素的添加会导致链霉菌密度升高，这表明链霉菌分解纤维素的能力与链霉菌在自然生境的生长能力高度相关。一些链霉菌降解木霉菌和纤维素相关物质的能力有利于它们与其他许多微生物共生，如参与白蚁的肠道活动。虽然大多数链霉菌是腐生的，但也有少数链霉菌(包括疥疮链霉菌)在各种根茎类蔬菜的表面引起病变(例如马铃薯疮痂病)。病变机制主要是它们对植物纤维素合成的抑制。致病链霉菌的致病基因可以通过不同组合的横向转移传播疾病，这意味着非致病菌株可以进化成致病菌株。
三、链霉菌的次生代谢物——铁载体
铁对所有活细胞的生长都是必不可少的，但通常铁以难溶形式存在于土壤中，因此土壤中的微生物无法直接获得。为了高效利用土壤中的铁，大多数细菌通过分泌铁载体获得铁，铁载体通常是非核糖体合成的对铁有极高亲和力的小肽。铁-铁载体复合物通过高效转运系统进入细胞。但是通过研究链霉菌基因组发现，链霉菌可以产生不止一种铁载体。例如，天蓝色葡萄球菌生产天蓝色素和去铁胺，链霉菌产生去铁胺和肠杆菌素。有人认为，在土壤环境中，竞争细菌可以通过拥有适当特性的铁载体吸收系统来利用彼此的铁载体，链霉菌对多种铁载体的利用能力降低了物种间的竞争。通过研究发现，灰色链霉菌菌落附近的生长可以促进周围菌落的生长和产孢，其原因为灰色链霉菌产生的去铁胺可供其他菌群利用。
四、抗生素的适应性益处
大多数抗生素的产生都具有物种特性，即每个物种是不一样的。我们可以认为，任何一种生物体的次级代谢组为它提供了一种独特能力，来与它可能遇到的其他微生物竞争，包括链霉菌之间的竞争。然而，由于抗生素的生产在菌株完成生长后，因此一些抗生素可能用于防治链霉菌菌落的生物量过度生长，而不是帮助其积累初始生物量。
五、抗生素作为发育调节剂和信号分子
早期研究表明，一些抗生素可以控制链霉菌的生长。例如，大环内酯帕马霉素-607可以控制黑链霉菌气生菌丝体生长和产孢。这种效应似乎与气生菌丝的钙供应有关，帕马霉素可能扮演了钙铁载体的角色。有人进一步提出，抗生素甚至可能充当信号分子，因为当抗生素添加水平远低于抑制生长所需的水平时，可以诱导基因表达发生显著变化。由于宿主系统发育与大多数抗生素途径分布的不一致性，很难想象抗生素能够同化到宿主的生物体内，以便在宿主体内立即适应性地发挥重要的信号作用。进一步研究发现，许多所谓的信号效应是通过抗生素作用的靶点来调节的。抗生素靶标的多蛋白复合体(如核糖体等大分子生物合成机制)的活性状态范围可以通过特定状态稳定性的微小变化而发生显著变化，这些多蛋白复合体的微小变化可能对整体基因表达产生明显影响。
链霉菌的进化和物种形成离不开链霉菌与其胞外环境之间的互作。由于本文为首次对链霉菌的胞外生物学进行概述，难以囊括所有内容，未来深入的研究可能会发现链霉菌的胞外生物学过程，也许比我们所能想象的要更加复杂。
论文信息
原名：The complex extracellular biology of Streptomyces
译名：链霉菌的胞外生物学
期刊：FEMS Microbiology Reviews
IF2020：13.92
发表时间：2010.03
通讯作者：KF Chater
通讯作者单位：英国约翰·英尼斯中心