【LorMe课堂】细菌的“生存之道”-- 细菌中功能相关铁载体途径的替换
作者：张佳佳，南京农业大学访学硕士，来自郑州烟草研究院。选修了植物营养元素的土壤化学这门课。锲而不舍，学无止境。
导读：细菌基因组有许多与生物合成相关的孤儿基因簇（BGCs），BGCs惊人的多样性加上它们的高水平转移率近年来引发了人们对它的关注。铁载体是重要的铁螯合分子，它的生物合成机制由BGCs编码。此前研究发现Salinispora细菌广泛使用desferrioxamine铁载体家族来获取铁。但是在少数desferrioxamine生物合成基因丢失的Salinispora菌株中，作者发现了一种新的铁载体，命名为Salinichelins。作者重建了这两种不相关的铁载体家族的进化历史，却发现了细菌处理功能冗余基因簇的秘密…
cheaters（欺骗者）的发现
比较基因组分析显示大多数Salinispora基因组包含完整的des簇，在铁限制条件下，它用来编码desferrioxamine铁载体（图1b）的生物合成（图1a），然而，在少数菌株中发现des基因不完整（图1a），有趣的是，这些残缺的des基因中铁摄取所需的周质结合蛋白和ATP结合盒转运蛋白仍然存在。这些DES -minus Salinispora菌株就是所谓的cheaters，狡猾的cheaters自并身不合成铁载体，而去掠夺外源的desferrioxamine铁载体来满足自身的需求。
图1 a：正常des基因簇与缺失des基因簇结构图；b：desferrioxamine铁载体结构
新型铁载体salinichelins的发现
为了测验des-菌株是所谓的欺骗者，作者在缺铁介质中培养了24株des- 菌株（如果des-菌株是欺骗者则会遭受生长限制）。令人惊讶的是，我们没有观察到任何明显的生长差异，这表明des-菌株生成了其他铁载体。这就是salinichelins铁载体（图2，3）被发现的过程。该salinichelinBGC位于远离des基因簇所在基因组位置的基因组岛16上。后续的实验发现salinichelins铁载体和desferrioxamine铁载体的铁结合能力相当。
图2 salinichelinBGC的结构
图3 salinichelin铁载体的结构
两个铁载体家族的进化和功能途径的替代
des途径的祖先状态重建表明des途径可能存在于该属的共同祖先中。另一方面，slc途径在S. pacifica中水平获得一次，在S. arenicola中获得两次，然后在这些特定分支中垂直继承（图4a）。与此同时这些分支失去了desferrioxamine铁载体生物合成基因，这种现象可以解释为两个铁载体分子具有相似的铁结合能力，因此两个BGCs的存在在功能上是多余的。但有意思的是，des- minus菌株保留了与desferrioxamine铁载体运输相关的基因（这是否可以理解为“自私的cheaters”在一般情况下享用“公共铁载体”，只有在万不得已的情况下，才会自己合成铁载体来维持所需。）。
S.arenicola和S.pacifica中的slc基因密切相关，很可能在物种之间水平转移。slc途径的基因树（图4b）证明了来自S.pacifica和S.arenicola的slcBGCs的高度相关性，表明从一个物种到另一个物种的水平基因转移。有趣的是，并没有发现含有两种铁载体BGCs的菌株。
欺骗者已经被证明在混合种群中具有适应性优势[1]，在某种情况下不产生任何铁载体对生存更加有利，然而在该情况下检测的菌株都含有两个基因簇中的其中一个，作者认为，拥有产生至少一种铁载体的能力有利于提高菌株的适应性。
图4 Salinispora属中铁载体的进化
总结
通过研究cheaters而发现了新型铁载体salinichelins，该铁载体与已知的desferrioxamine铁载体功能相似，重建这两种不相关的铁载体家族的进化历史，结果表明新铁载体salinichelins的获得与保留和先前的desferrioxamine途径的丧失共同发生。这种现象可以解释为两个铁载体分子具有相似的铁结合能力，因此两个BGCs的存在在功能上是多余的。在基因组中保持功能冗余基因簇可能会增加基因组大小和复制成本，所以细菌在进化过程中会对这些“无用的基因”进行取舍。
参考文献
Cordero OX, VentourasL-A, DeLong EF, Polz MF.(2012).Public good dynamics drive evolution of ironacquisition strategies in natural bacterioplankton populations.Proc Natl AcadSci USA 109:20059-20064.
参考文献：Function-relatedreplacement of bacterial siderophore pathways
期刊：ISME Journal
DOI：10.1038/ismej.2017.137
作者：Hilke Bruns et al.