陈卫院士等135分综述详解sIgA包 - 虹之玉锦

TUhjnbcbe - 2021/4/24 22:14:00

年3月1日，马克斯·普朗克海洋微生物研究所的T.BenFrancis等人在TheISMEJournal上发表了题为ChangingexpressionpatternsofTonB-dependenttransporterssuggestshiftsinpolysaccharideconsumptionoverthecourseofaspringphytoplanktonbloom的研究论文。

Abstract

藻华会产生大量有机物，随后会被细菌异养生物再矿化。藻类生物质的主要成分是多糖。有人假设，藻华期间的单个细菌异养性生态位部分取决于现有的多糖底物。测量TonB依赖转运体的表达，通常是多糖吸收的特有的，可作为评估细菌多糖随时间消耗的指标。为了研究这个问题，我们在这里展示了北海南部黑尔戈兰岛上年春季藻华时细菌浮游生物的高分辨率元蛋白质组学和宏基因组数据集，以及在藻华期间依赖TonB的转运蛋白的表达谱，证明了丙种变形杆菌和拟杆菌作为藻类多糖降解剂的重要性。依赖TonB的转运蛋白是表达最高的蛋白类别，在丙型变形杆菌和拟杆菌之间平均分配，在藻华期间平均检测到所有蛋白质的16.7％。预计其中约93％会吸收有机物，对于约12％的TonB依赖性转运蛋白，我们预测了特定的目标多糖类别。最重要的是，我们观察到表达的转运蛋白的底物特异性随时间的变化，这并未反映在相应的宏基因组学数据中。由此得出的结论是，藻糖，甘露糖和木糖的藻类细胞壁相关化合物主要用于后期藻华阶段，而葡萄糖基藻类和细菌存储分子（包括层粘连蛋白，糖原和淀粉）则始终使用。因此，对转运蛋白的定量分析可能是理解海洋碳循环的关键。

主要结果

年黑尔戈兰岛藻华

黑尔戈兰岛年春季藻华的特征是在整个采样期间（图1）中叶绿素a浓度升高（在～3和～10μgl-1之间），这意味着藻华时间比往年更长。藻类群落的组成与往年相似，以硅藻为主。在朱利安第天到第天之间，浮游细菌总细胞计数（0.2–3μm大小分数；大约等于“自由生长”且与非真核生物相关，而不是与颗粒相关）在采样早期阶段从约,个细胞每毫升迅速增加。在此期间，细胞周期最多可达到一百万至两百万个细胞每毫升（图1）。这种增加发生在硅藻细胞数量增加后不久。

图一:按分类学分类的年黑尔戈兰岛藻华期间具有代表性的MAG数量。元基因组学和元蛋白质组学

年得到的元基因组与-年的元基因组相当，产生了一组总体分类成分相似的MAG，特别是对于更丰富的物种。在先前研究中鉴定出的特别重要的进化枝被鉴定为具有相似数量的物种。这些包括SAR92（年分别从15个物种中回收，而-年从14、12和9个物种中回收）、SAR86（年9个，而前几年从5年、12年回收）、北极杆菌（年8个；前几年回收6个、5和7个）和“福尔摩沙”演化支Hel1-33-（年6个；前几年9个、9和8个）。与前几年相比，基于读取频率的丰度也并不罕见（未显示数据），这与黑尔戈兰周围地区以前报告的细菌进化的复发一致，那里观察到的细菌和γ变形杆菌的分类群丰度每年都相似。因此，这项研究的结果预计将更普遍地适用于黑尔戈兰其他年份的春季藻华。

从六个元蛋白质组样本中，我们确定了27,种蛋白质。这代表了来自元基因组装配的蛋白质占总预测蛋白质的0.44％。其中，17,种蛋白质（65.0%）可以分配给MAG，从而进行分类。这些确定为TBDT的蛋白质共有种（4.6%）。相比之下，种核糖体蛋白、种ABC转运蛋白、种ATP合成酶、种RNA聚合酶、种伸长因子、种TRAP转运蛋白、种Hsp70蛋白、种卟啉、种伴侣蛋白和种SusD蛋白。

图二：在元蛋白质组数据中检测到个表达的TonB依赖转运体，引用的96个已知底物的参考TBDT序列和参考的肽酶导出器，分为其中的四类，即DOM转运蛋白，金属转运蛋白，血红素转运蛋白和铁载体转运蛋白。TBDT系统发育和序列多样性

几乎所有检测到的TBDT都属于细菌和γ变形杆菌——在中，分别有种和种，其中56种被归入丙酸杆菌，4种归入疣菌，1种归放线菌，其余种被归入任何MAG。根据NCBInr数据库（截至年10月15日）的BLAST结果将这种中的种归类为γ蛋白质细菌，83种为细菌，16种为丙酸杆菌，1种归类为疣菌，其余25种没有成功对齐。细菌体的总和略显低估了，因为三种类SusC的蛋白质（细菌特异体）被错误地装入了上层杆菌的丙酸杆菌MAG中——这可能是丰度剖面图中巧合重叠的结果。

TBDT的系统发育重建（图2）大致分为三个裂片（不是完全单系群），我们从此称之为DOM群1，群2和推定的非DOM。虽然像旁分子这样的分子在技术上是DOM，但我们使用术语DOM传输器专门指作为能源传输的DOM，以及用于其他目的传输的非DOM。假定的非DOM转运体包括除参考文献外的所有参考序列外，以及三个CAZyme相关序列，一个具有预测的层蛋白转运功能，另一个没有特定的预测多糖底物（分别在27-PSL、22-BPS和25-BVS中，图）。2)。DOM组包括用作能源的有机分子转运体的所有参考序列，而DOM组2还包括四个参考侧气团转运体（分支30-PSL，图2)。

DOM转运体占我们数据集中检测到的蛋白质的绝大多数，其中最大的子集是类SusC分支（第9-BD分支，图2），有个序列。对于在元蛋白质组中检测到的大多数类SusC蛋白质（个中的个），还注释了相邻的类SusD的伙伴蛋白。在其余90个中，62个没有分配给MAG，因此无法确定类SusD的伙伴蛋白是否存在。类似SusD伙伴蛋白的例子贯穿于整个类似SusC的演化支，因此，我们可能会期望几乎所有的类似SusC的蛋白质都应该有一个相关的类似SusD的蛋白质。在类SusC分支中，67个检测到的转运体具有明确关联和可确定的多糖衬底物或一类衬底，另有18个至少具有一些CAZyme关联（表1）。

以前已证明拟杆菌属SusC样序列的底物特异性。基于此，对于那些在基因组邻域中未发现CAZymes，但有定义明确且紧密的系统发育分组的序列，可以基于序列相似性推断多糖底物（第9-BD分支，图2）。这个概念也部分地适用于γ-变形细菌TBDT（第3-PD分支，图2）。非常值得注意的是γ蛋白变形杆菌中许多与层板蛋白相关的TBDTs主要在DOM组1的层板蛋白相关的进化枝之外。但是对于蛋白细菌藻酸盐和层板蛋白PUL（针对进化枝3-PD的扩展子树，图2）包含与藻酸盐相关的所有蛋白酶序列和与层粘连蛋白相关的十个序列。在DOM组1和2的其他部分（图2中用字母P和L编码的包层）中发现了九种与远距离相关的蛋白细菌预测的层板蛋白转运蛋白。

推定的DOM转运蛋白中最后一个值得注意的进化枝是图2中的γ-蛋白细菌进化枝7-PE，其中包含最近描述的输出粘球菌物种的TBDT的参考肽酶。这是一个较小的进化枝（45个序列），其中进化枝内的序列同一性很低（介于参考和进化枝中的所有其他序列之间，介于30％和40％之间，低于30％）。但是，参考序列的存在提醒了TBDT其他功能的可能性，尽管此处序列同一性低，我们不能确切地推断出这种功能。

表一TBDT在不同类别中的表达（按是否属于SusC样小节（图2中的9-BD）进行划分）及其在所有TBDT序列中的表示。

TBDT蛋白质丰度

年3月17日至5月17日期间，所有TBDT的总丰度（占总量化蛋白质的比例，无论是否归因于MAG）从13.9%归一化光谱丰度因子（%NSAF）上升到最终样本中的最大值为21.0%NSAF，其表达在细菌和伽马蛋白细菌。在所有六个样本中，TBDT平均占所有检测到的蛋白质（s.d.=3.94%）的16.7%。（图3a）。这是表达最高的单类蛋白质。相比之下，次充裕的类别是核糖体蛋白质，平均占所有蛋白质（s.d.=0.78%）的7.6%。RNA聚合酶占6.9%（s.d.=1.06%），ATP合成酶占6.7%（s.d.=1.99%）（图3a）。除TBDT外，最丰富的转运蛋白类别是ABC转运蛋白、TRAP转运蛋白和孔蛋白，其平均NSAF值分别为4.1%（s.d.=0.65%），1.7%（s.d.=0.41%），1.0%（s.d.=0.53%）。与总体TBDT丰度相反，可能在含铁细胞、维生素或金属吸收中发挥作用的TBDT丰度较低（平均1.15%NSAF，s.d.=0.16%），没有上升或下降趋势（图2和3a）

虽然TBDT的总丰度在细菌和γ变形杆菌之间平均分布，在具有特定预测的多糖底物或底物类别的蛋白中，γ变形杆菌的累积%NSAF约为细菌的五分之一至三分之一。这些TBDT的平均%NSAF为2.02（s.d.=0.18%）（图3a，b）。与CAZymes相关的TBDT在没有明显可预测的底物的情况下的平均丰度为1.45%（s.d.=0.33%，图3a，b）。

图三：通过靶向底物确定元蛋白质组学和宏基因组学数据中TBDT的丰度。

多糖相关TBDT基因频率及表达

在详细研究可以预测多糖底物的转运体时，我们检测到蛋白质丰度随时间推移似乎非随机变化（图3b），尽管如此，依旧应该指出很少的生物样本虽然排除了对效应量的统计分析，但是这使得趋势的真实规模和年际重现性变得不确定。在藻华早期，与海带多糖和α-葡聚糖相关的TBDT是最丰富的多糖转运体，而随着藻华的进展，我们看到与含褐素、甘露糖和木糖聚合物相关的转运蛋白的%NSAF增加（最初从0.4%下降到0.2%的蛋白质，然后在最后时间点增加到所有蛋白质的1.0%）。此外，在最终采样日，我们看到预测海藻酸盐转运体的%NSAF大约增加了十倍（占所有蛋白质的0.01增加到0.1%）。预计运输含甘露糖的多糖的TBDT的%NSAF增加，此前，在藻华早期转运体更丰富时，TBDT的%NSAF有所增加（图3b）。这种特殊的甘露糖聚合物相关TBDT表达几乎完全是由NS4分支中单个丰富的物种引起的。然而，最引人注目的是，虽然海带多糖和α-葡聚糖的模式在基因频率分析中大致相似（图3c），但对于含褐藻糖、甘露糖和木糖的多糖来说，它们大不相同。在这里，编码这些蛋白质的基因频率随着时间的推移不会发生强烈变化。编码海藻酸盐转运体的基因在整个藻华中以相似的频率存在（平均RPKM=11.2），与甘露糖-聚合物转运体的基因（平均RPKM=11.7）。在观察基因频率（最大）时，与其他TBDT相比，含纤维素、甘露糖和木糖的联合多糖转运体甚至似乎有所下降。第天的RPKM=33.9，第天降至16.6，这与元蛋白质组数据中的情况明显相反。

在观察每个类别中表达最高的单个PUL时，非葡萄糖聚合物靶向转运体的这种后期表达模式也很明显（图4）。随着时间的推移，预测的海藻酸盐、含褐藻糖的α-葡聚糖、含褐藻糖/甘露糖/木糖和含木糖的多糖转运体的蛋白质丰度会增加。这表明这不仅是整个群落的累积效应，也是单个物种或种群的积极变化。这也许最好用Aurantivirgasp.20130_Bin_43_1，在藻华早期拥有最丰富的α-葡聚糖转运体（图4）来证明。然而，随着时间的推移，这种推定的α-葡聚糖转运蛋白的丰度以%NSAF条件下降，同时，该物种中富含海藻糖/甘露糖/木糖聚合物运输类SusC蛋白质则变得更加突出（图4）。

图四:对于每种多糖底物类别，可在其上分配底物的代谢组学样品中，最丰富的TonB依赖转运蛋白的多糖利用位点结构和蛋白质丰度。

HMW-DOM的单糖成分

通过酸水解测定的HMW-DOM单糖成分的测量显示，最丰富的单体是葡萄糖、木糖和甘露糖（图5）。这三种单体的浓度（最大分别为2.2、1.0和0.7微米）比测量的其他单体的总和（所有其他单体的总和最大0.11微米）高出大约一个数量级。不包括葡萄糖、木糖和甘露糖，五样跟踪平均数表明，在采样期间，大多数较低的丰度糖普遍积累，从早期到第天到采样期结束时的峰值，浓度大约增加了三倍，直到天。与元蛋白质组采样一样，生成重复样本的局限性使得无法对观察到的趋势的影响大小进行更可靠的统计分析。然而，这种增加与细菌细胞数量的增加却同时发生（图1)。葡萄糖、木糖和甘露糖的丰度变化更大，但在藻华过程中没有明显增加或减少。

图五：年春季藻华期，用酸水解和高性能阴离子交换色谱法测量的高分子量溶解有机物的单糖成分浓度。

主要结论

年春季藻华期间检测到的蛋白质丰度趋势没有反映在相应的基因组数据中。例如，海藻酸盐转运体的基因在整个藻华过程中以相似的频率存在，尽管只有在最终的元蛋白质组样本中才能实现清晰的表达。这证实了仅靠基因组数据不足以跟踪春季浮游植物藻华期间的多糖使用情况，表达和蛋白质丰度数据可以更好地替代跟踪细菌对浮游植物盛开的反应。

因此，运输蛋白的量化确实可以成为解决海洋碳循环这一高度复杂难题的重要部分。然而，要进一步阐明这里起作用的生态过程，首先需要对各种结核病处理的底物进行生化验证。另一种要求是不同多糖（如海带多糖）的酶量化，而不仅仅是连接类型和单体。归根结底，各种方法的结合将推进我们对分子、酶反应和海洋碳循环潜在速率的了解，这是预测和管理大气二氧化碳水平的先决条件。

原文标题：ChangingexpressionpatternsofTonB-dependenttransporterssuggestshiftsinpolysaccharideconsumptionoverthecourseofaspringphytoplanktonbloom

原文链接：10./s---8

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前期回顾

一种来自南极细菌的新型高效嗜冷碱性果胶酸裂解酶

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