炎熱的天氣裏，一杯香甜的果汁很快就會變質，有時還會產生酒精味。這很可能是一種擅長將葡萄糖和果糖轉化為乙醇的“釀酒”細菌——運動發酵單胞菌在“作祟”。
不過，這種能天然產生乙醇的“罪魁禍首”卻是科學家眼中的潛力股——有資質成為像酵母、大腸杆菌那樣的底盤細胞，為人類製造大宗化學品。
農業農村部成都沼氣科學研究所（以下簡稱沼科所）研究員何明雄團隊分析了運動發酵單胞菌適應環境脅迫的染色體三維構象，揭示了原核生物中廣泛存在的轉錄因子介導染色體三維構象及其調節抗逆基因表達以應對環境脅迫的分子機製。近日，研究論文在線發表於《核酸研究》。
論文審稿人認為，這是一項非常有趣的發現——化學分子和轉錄因子對細菌染色體的三維構象產生影響從而促進或抑製基因轉錄。這項研究不僅為認識原核生物基因組結構與功能的關係提供了新的科學依據，也為從三維基因組層麵進行工程菌株的理性設計奠定了基礎。
細胞工廠“潛力股”：天然產乙醇的細菌
作為一種能把葡萄糖和果糖變成乙醇的細菌，運動發酵單胞菌具有一種特殊的生理生化特性。論文通訊作者何明雄介紹，它之所以能產生乙醇，全靠其代謝途徑中的特定酶係統。這些酶係統讓它將碳源（如葡萄糖）先轉化為丙酮酸，並繼續轉化為乙醇和二氧化碳。
如果能把農林廢棄物——例如秸稈等生物質轉化成葡萄糖或者果糖，再用這種細菌進行處理，豈不是可以“便利”地獲得工業用乙醇？
而且，有研究發現，運動發酵單胞菌在食品、健康及醫藥等領域也展示出廣闊的應用前景。
然而，秸稈等生物質資源結構致密、難降解，難以利用。在轉化過程中，需要預處理以釋放其中的葡萄糖等營養物質。但預處理產生的水解液存在許多微生物發酵的抑製劑，如乙酸、呋喃甲醛、酚類和鹽類化合物等。其中，乙酸和呋喃甲醛是主要的兩類有毒副產物。
“這些抑製劑會導致微生物發酵的轉化效率大幅下降。”何明雄說，如果能篩選出對抑製劑有抗性的菌株，就有望找到相關的抗性基因。
於是，7年前，何明雄團隊碩士生王薇廷著手做菌株突變篩選，目標是篩選出能夠耐受這些抑製劑的抗逆菌株，即能在脅迫環境下，高效利用糖類產生目標產物而抵禦這些抑製劑幹擾的菌株。
通過基因組重組等技術，王薇廷終於選育出具有抗逆特性的運動發酵單胞菌菌株ZM532，大幅提升了其生物轉化效率。
獲得耐受菌株後，研究團隊想進一步了解這些菌株為何產生抗逆性狀。他們利用了基因組重測序、轉錄組學、蛋白組學等常用的分析方法，但分析結果卻出乎意料——盡管其中的一些基因與抗逆表型相關，但仍然不能完全解釋抗逆表型發生顯著改變的機製。
傳統手段“失靈”踏上基因組三維結構探秘之旅
“我們團隊前期使用了基因組重測序技術和轉錄組學分析去揭示抗逆機製。”論文第一作者、沼科所博士陳茂說，結果發現，運動發酵單胞菌抗逆菌株的基因組上發生了單核苷酸突變（SNP）以及片段插入和缺失等突變。
他們又嚐試從與基因組突變關聯的基因中尋找抗逆表型產生的原因，但這些與突變關聯的基因多與抗逆無關。
2019年，博士生Samina Shabbir開始做轉錄組和蛋白組分析，試圖挖掘關鍵調控因子，在轉錄水平上解釋抗逆機製，然而結果亦無法解釋表型發生巨大改變的原因。
“這些結果顯示，在運動發酵單胞菌中，基因組突變與抗逆表型之間存在不匹配的現象。”何明雄說，在細菌中，基因組變異是其適應脅迫環境的常見現象。“人們常常認為這些突變會導致細菌抗逆表型改變，但有時在一維層麵，也就是基因水平上，可能無法解釋這種表型為何發生轉變。”
盡管人們已經知道在真核生物中，基因組突變可能會改變染色體三維結構，導致癌症等疾病的發生，但人們對原核生物中基因組突變與染色體構象之間的關係仍然知之甚少。
染色體構象是染色體在三維空間上的組織和排列方式，包括染色體的折疊、染色體區域之間的相互作用等。這些高階結構對基因的表達和調控有重要影響。
受真核生物三維基因組學相關研究的啟發，何明雄團隊提出假設：會不會是基因組突變導致了染色體三維結構的改變，從而導致抗逆表型的發生，因此傳統方法如基因組學、轉錄組學、蛋白組學等一維二維的技術難以發現抗逆表型背後的機製。
2020年，正在攻讀博士學位的陳茂踏上了三維基因組結構探索之旅，嚐試驗證關鍵調控因子功能，解析三維基因組動態變化，揭示抗逆調控的分子機製。
加快“細胞工廠”選育進程
基因組突變和環境脅迫（如乙酸和呋喃甲醛）究竟是如何對運動發酵單胞菌三維染色體構象產生影響的？
論文共同第一作者、沼科所副研究員吳波介紹，在三維基因組研究中，通常把DNA一維水平上相距幾百kb的位點之間的互作稱為長距互作，而把相距幾十kb甚至更小距離的互作稱為短距互作。
“我們的研究發現，基因組突變僅改變了局部的短距互作；當乙酸和呋喃甲醛脅迫後，不僅改變了長距互作，也改變了短距互作。這些短距互作構成了染色體結構域，這是染色體三維構象的基本結構單元。”吳波說。
他們進一步解析了結構域邊界特征，並發現了一類重要的轉錄因子，即鐵吸收調節蛋白（Fur）家族。在運動發酵單胞菌中，調節蛋白家族中還包括鋅吸收調節蛋白（Zur）。“如果敲除這兩個相關基因，會嚴重影響該菌的抗逆乙酸和呋喃甲醛表型。”陳茂說。
何明雄解釋說，細菌的轉錄因子對於細菌適應逆境至關重要，因為這些蛋白可以調控一係列基因表達，從而影響細菌的生理代謝過程。以往研究主要關注轉錄因子最主要的功能——調節基因表達，是從一維水平上闡述這些調節的重要性。但轉錄因子結合在染色體上調節基因表達的同時，有可能對三維構象產生影響。
“我們的研究不僅表明轉錄因子有調節基因表達適應環境的能力，而且維持了染色體三維構象的穩定性。”何明雄說，這是首次在細菌中證實全局性轉錄因子具有調控染色體三維構象的能力。
該研究從全新角度闡釋了“結構決定功能”這一核心分子生物學問題，揭示了抗逆表型形成的分子機製，為認識原核生物基因組結構與功能的關係提供了新的科學依據。
何明雄強調，抗逆分子機製的解析有利於對菌株直接進行理性設計。所謂理性設計是基於對微生物學、代謝途徑和基因組學等的深入理解，通過精確設計和調控微生物的基因組、代謝途徑或生理特性來實現特定的育種目標。從染色體結構角度關注染色體相互作用對理性設計的影響，可以提高表型進化的效率。
“我們的研究尚處於初級階段，未來我們將積極探索三維基因組在合成生物學中的應用。”何明雄說，搞清楚運動發酵單胞菌的抗逆機製，就有望高效利用秸稈等農林廢棄物，甚至開發出新的“細胞工廠”。
來源：中國科學報
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