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近日，深海生物學(xué)研究室深海生物活性物質(zhì)研究團隊撰寫(xiě)的論文“α-Pyrone mediates quorum sensing through the conservon system in Nocardiopsis sp.”于Microbiological Research期刊（生物學(xué)1區）在線(xiàn)發(fā)表，碩士畢業(yè)生朱柏羽為文章第一作者，韓壯副研究員為通信作者。該研究在馬里亞納海溝深淵來(lái)源菌株Nocardiopsis sp. LDBS0036中發(fā)現一種新的放線(xiàn)菌信號分子—α-吡喃酮 (α-pyrone)，這類(lèi)化合物可以調節擬諾卡氏菌的群體感應過(guò)程。同時(shí)，研究發(fā)現α-吡喃酮介導的調節機制在諾卡氏菌屬中較為普遍且在放線(xiàn)菌的種內及種間相互作用中扮演著(zhù)重要功能。因此，本文研究結果揭示了一種新型的群體感應信號系統，這預示著(zhù)目前仍有很多潛在的細菌通信模式尚未被發(fā)現。

微生物的群體感應（Quorum Sensing）是一種微生物間的溝通交流機制，微生物通過(guò)釋放和感知信號分子（自誘導劑）來(lái)檢測種群密度和環(huán)境變化，并調節基因表達。當種群密度達到某個(gè)閾值時(shí)，信號分子的濃度增加，觸發(fā)一系列基因表達，協(xié)調群體行為，如生物發(fā)光、生物膜形成、毒素和抗生素的產(chǎn)生。

放線(xiàn)菌能夠產(chǎn)生大量具有生物活性的次生代謝物，這些代謝物的生產(chǎn)通常由群體感應信號分子調節。團隊發(fā)現了擬諾卡氏菌Nocardiopsissp. LDBS0036中的新型信號分子—α-吡喃酮 (α-pyrone)，且通過(guò)研究驗證了α-吡喃酮的信號分子功能。結果顯示，小分子nocapyrone I可以介導菌株的群體感應，誘導吩嗪類(lèi)抗生素的產(chǎn)生（圖1a-c）。通過(guò)生物信息學(xué)分析發(fā)現，菌株LDBS0036中吡喃酮合成基因上游存在一個(gè)多組分調控系統——Conservon。敲除該系統的基因后，吩嗪和吡喃酮的產(chǎn)量均受到影響，推測其用于接收和傳遞α-吡喃酮信號（圖2a）。

圖1 菌株LDBS0036中吡喃酮調控群體感應和次級代謝

圖2 Conservon系統調控吩嗪的產(chǎn)生及其與吡喃酮合成基因在擬諾卡氏菌中的分布

分析發(fā)現，包含conservon系統的吡喃酮生物合成基因簇在放線(xiàn)菌擬諾卡氏屬（Nocardiopsis）中廣泛存在并高度保守（圖2e）。此外，吡喃酮同系物在鏈霉菌屬中也存在并且通過(guò)不同途徑合成。將代表性的擬諾卡氏菌及鏈霉菌發(fā)酵上清液添加到吡喃酮敲除型菌株?nprB后，恢復了吩嗪的產(chǎn)生（圖3a）。通過(guò)質(zhì)譜分析和構建化合物的分子網(wǎng)絡(luò )，發(fā)現能激活吩嗪產(chǎn)生的菌株中都可以產(chǎn)生吡喃酮類(lèi)小分子（圖3b）?；诖?，團隊提出了不同來(lái)源、不同類(lèi)型的α-吡喃酮類(lèi)小分子介導放線(xiàn)菌種間及種內相互作用的模型（圖3c）。該研究結果拓展了我們對放線(xiàn)菌群體感應系統的認識，有助于在放線(xiàn)菌中激活沉默的活性代謝產(chǎn)物合成，同時(shí)也可以為合成生物學(xué)提供開(kāi)關(guān)、生物傳感器和邏輯門(mén)等工具。

圖3 α-吡喃酮介導的種間及種內相互作用

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，海南省重點(diǎn)研發(fā)計劃和全球深淵深潛探索計劃（Global TREnD）等項目的支持。

論文信息：Boyu Zhu(朱柏羽), Ziyun Cen(岑梓韻), Yiqiu Chen(陳以秋), Kun Shang(尚琨), Ji’an Zhai(翟吉安), Meigui Han(韓梅桂), Jiawei Wang(王佳偉), Zhiyong Chen(陳志勇), Taoshu Wei(魏韜書(shū)), Zhuang Han*(韓壯). α-Pyrone mediates quorum sensing through the conservon system in Nocardiopsis sp.. Microbiological Research., 2024, 285, 127767.

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.micres.2024.127767