生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院周寧一團(tuán)隊(duì)揭示微生物降解兩種硝基芳烴同分異構(gòu)體代謝途徑的進(jìn)化淵源
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周寧一教授團(tuán)隊(duì)解析了兩種二氯代硝基苯的代謝機(jī)理及其進(jìn)化淵源。相關(guān)成果“A Nag-like dioxygenase initiates 3,4-dichloronitrobenzene degradation via 4,5-dichlorocatechol in Diaphorobacter?sp. strain JS3050” 發(fā)表于《Environmental Microbiology》，博士后高義舟為第一作者，周寧一教授和美國西佛羅里達(dá)大學(xué)的Jim C. Spain教授為通訊作者。另一成果“A recently assembled degradation pathway for 2,3-dichloronitrobenzene in Diaphorobacter?sp. strain JS3051”發(fā)表于《mBio》，博士后李濤為第一作者，周寧一教授為通訊作者。
環(huán)境中的化合物按照其來源不同可分為天然化合物和人工合成化合物，后者是隨著近代工業(yè)發(fā)展而釋放到環(huán)境中，相對(duì)來說存在的時(shí)間比較短。微生物能夠通過快速進(jìn)化而在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)獲得代謝人工合成化合物的能力，因此在分子生物學(xué)與酶學(xué)水平研究微生物如何代謝人工合成化合物及其催化機(jī)理可為揭示細(xì)菌適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制提供重要線索。本研究對(duì)兩株來自同一污染點(diǎn)的3,4-二氯硝基苯及2,3-二氯硝基苯降解菌的代謝途徑及進(jìn)化來源進(jìn)行了分析與闡明。
圖1 菌株Diaphorobacter?sp. strain JS3050中3,4-二氯硝基苯（上）及菌株Diaphorobacter?sp. strain JS3051中2,3-二氯硝基苯（下）的代謝途徑及相關(guān)基因。
研究表明JS3030和JS3051均通過Rieske家族的非血紅素雙加氧酶催化3,4-二氯硝基苯和2,3-二氯硝基苯代謝起始的雙加氧反應(yīng)，分別生成4,5-二氯鄰苯二酚和3,4-二氯鄰苯二酚，后續(xù)由氯鄰苯二酚1,2-開環(huán)酶催化開環(huán)反應(yīng)形成二氯黏糠酸，并逐步進(jìn)入TCA循環(huán)（圖1）。盡管他們代謝途徑相似，但其基因來源確大不相同。分析表明3,4-二氯硝基苯雙加氧酶（Dcn）與2,4-二硝基甲苯雙加氧酶來源相同，而2,3-二氯硝基苯雙加氧酶（Dcb）與2-硝基苯雙加氧酶來源更近（圖2左）。通過分析硝基芳烴雙加氧酶的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，其活性口袋與底物取代基團(tuán)的適配性決定了其進(jìn)化來源（圖2右）。本研究不僅揭示了兩種難降解硝基芳烴的代謝途徑及機(jī)制，同時(shí)拓寬了我們對(duì)于該類化合物的微生物代謝途徑快速進(jìn)化的認(rèn)知。
圖2 硝基芳烴雙加氧酶系統(tǒng)發(fā)育樹（左）及硝基芳烴雙加氧酶活性中心展示（右）
周寧一教授團(tuán)隊(duì)長期從事硝基芳烴類化合物的生物降解研究。本工作是繼該團(tuán)隊(duì)鑒定了2-氯硝基苯代謝途徑（Applied and Environmental Microbiology）和表達(dá)調(diào)控（Applied and Environmental Microbiology），以及3-硝基甲苯代謝途徑（Applied and Environmental Microbiology）等研究成果后的重要進(jìn)展。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金（31870084, 31700093，和31900075），國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)(2018YFA0901200)，中國博士后科學(xué)基金(2019M661491)以及DuPont Corporate Remediation Group contract LBIO-65019的支持。
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論文鏈接：
https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15295
https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.02231-21
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