Nature | 全球海洋微生物组的生物合成潜力

文摘 2024-11-15 00:00 上海

英文标题：Biosynthetic potential of the global ocean microbiome

中文标题：全球海洋微生物组的生物合成潜力

主要作者：Lucas Paoli;Hans-Joachim Ruscheweyh; Serina L. Robinson; Jörn Piel以及Shinichi Sunagawa等

发表期刊：Nature

影响因子：50.5

发表时间：2022年06月22日

微生物，尤其是细菌，以其代谢多样性在自然界中无处不在，展现出惊人的适应能力。然而，由于大多数细菌尚未在实验室中被成功培养，我们对它们独特的代谢潜力知之甚少。瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队通过结合培养的微生物基因组、单细胞基因组以及海水样本中的微生物基因组重建，创建了一个全面的海洋微生物组学数据库。这一数据库揭示了约4万个新的生物合成基因簇，并深入研究了它们的丰富性和创新性。研究团队还发现了一些生物合成基因簇特别丰富的细菌谱系，并利用微生物组学驱动的策略，成功验证了这些细菌产生的全新活性物质和独特的酶学机制。这项研究为深入探索海洋菌群及其生物合成潜力奠定了重要基础

研究结果

海洋菌群的系统进化多样性

研究者们收集了来自1,038个海洋水样的宏基因组数据，这些样本覆盖了215个全球分布的采样点和不同的深度层。基于这些数据，研究者们重建了26,293个主要为细菌和古菌的MAGs。

这组新创建的MAGs与830个之前建立的MAGs、5,969个SAGs和1,707个REFs相结合，整合成海洋细菌和古菌的34,799个基因组。新建立的资源捕获了大约40–60%的海洋宏基因组数据，与之前仅基于MAGs或SAGs的报告相比，覆盖范围增加了2到3倍，在深度和纬度上的表现更加一致。

使用GTDB对所有基因组进行注释，定义8,304个物种。这些物种中的2,790个是在本次研究中重建的MAGs中发现的。此外，发现不同的基因组类型高度互补，分别有55%、26%和11%的物种仅由MAGs、SAGs和REFs组成。

此外，MAGs涵盖了在水体中检测到的所有49个门，而SAGs和REFs分别仅代表其中的18个和11个门。然而，SAGs更好地代表了最丰富的分支的多样性，SAGs覆盖了近1,300个物种，而MAGs仅覆盖了390个物种。值得注意的是，在物种水平上，REFs很少与MAGs或SAGs重叠，并且代表了本文研究的开放海洋宏基因组集中未检测到的约1000个基因组中的95%，主要是由于从其他类型的海洋样本中分离出的

图1.在全球范围内重建MAG填补了海洋系统发育基因组多样性的空白

a.在全球分布的215个地点（南纬62°至北纬79°，西经179°至东经179 °）共收集了1 038个可公开获得的海洋微生物群落基因组（宏基因组）。

b.这些宏基因组数据被用来重建宏基因组组装基因组（MAGs），它们在不同数据集（颜色编码）中的数量和质量各不相同。重建的MAGs与公开可用的（外部）基因组相结合，包括手工动整理的MAGs、单细胞基因组（SAGs）和参考基因组（REFs），以组成海洋微生物组数据库（OMD）。

c.OMD将海洋微生物群落的基因组表示（宏基因组读数的映射率方法）与先前仅基于SAGs (GORG)或MAGs(GEM)的报告相比提高了2到3倍，在深度和纬度上具有更一致的表示。<0.2，n = 151; 0.2-0.8，n = 67; 0.2-3，n = 180; 0.8-20，n = 30; >0.2，n = 610; <30°，n = 132; 30-60°，n = 73; >60°，n = 42; EPI，n = 174; MES，n = 45; BAT，n = 28

d.将OMD划分为物种水平（95%平均核苷酸同一性）聚类，共鉴定了约8，300个物种，其中一半以上先前未基于使用GTDB（release 89）13的分类注释进行表征

e.按基因组类型对物种进行的分类揭示了MAG、SAG和REF在捕获海洋微生物组的生物多样性方面的高度互补性。具体而言，分别有55%、26%和11%的物种对MAG、SAG和REF具有特异性。BATS，百慕大大西洋时间序列; GEM，来自地球微生物组的基因组; GEOG，全球海洋参考基因组; HOT，夏威夷海洋时间序列。

海洋菌群的生物合成潜力

研究团队首先利用antiSMASH工具对1,038个海洋宏基因组中的所有宏基因组组装基因组（MAGs）、单细胞基因组（SAGs）和参考基因组（REFs）进行了分析，预测出总共39,055个生物合成基因簇。随后，这些基因簇被聚类成6,907个不重复的基因簇家族（GCFs）和151个基因簇族（GCCs），以解决宏基因组数据集中基因簇的固有冗余和片段化问题。

在基因簇族层面，研究揭示了预测的核糖体合成后修饰肽（RiPPs）和其他天然产物的高多样性，这些基因簇族在系统基因组分布上广泛，可能反映了微生物对海洋环境的广泛适应性，包括对活性氧、氧化和渗透压力或铁吸收的抗性。

进一步对基因簇家族层面的数据进行分析，目的是更细致地对预测编码相似天然产物的生物合成基因簇进行分组。研究发现，3,861个（占56%）鉴定出的基因簇家族与RefSeq数据库中的基因簇家族不重叠，并且超过97%的基因簇家族在MIBiG数据库中没有记录，MIBiG是记录实验验证的生物合成基因簇最全面的数据库之一。其中，3,012个基因簇家族（占78%）被预测为编码萜烯、RiPPs或其他潜在的天然产物。

图 2 .海洋微生物组生物合成潜力的新颖性和系统发育分布。共有39,055个生物合成基因簇(BGCs)被聚类成6,907个基因簇家族(GCFs)和151个基因簇族(GCCs)。

a, 数据表示（从内到外层）。基于GCCs的BGCs距离进行层次聚类，其中53个仅通过MAGs捕获。GCCs由来自不同类群（经过自然对数转换的门频率）和不同BGC类别（圆圈大小对应它们的频率）的BGCs组成。外层表示每个GCC的BGCs数量、普遍性（样本百分比）和与BiG-FAM中BGCs的距离（BGCs的最小余弦距离min(dMIBiG)）。与实验验证的BGCs（MIBiG）密切相关的GCCs用箭头突出显示。

b, 将GCFs与计算预测的（BiG-FAM）和实验验证的（MIBiG）BGCs进行比较，发现了3,861个新的（d > 0.2）GCFs。它们中的大多数（78%）编码核糖体合成后修饰肽(RiPPs)、萜类和其他推定的天然产物。

c, 将在1，038个海洋宏基因组中检测到的OMD中的所有基因组置于GTDB主链树上，以揭示OMD的微生物基因组覆盖范围。在OMD中没有任何基因组的进化枝是灰色的。BGC的数量对应于给定进化枝中每个基因组的预测BGC的最高数量。为了可视化，最后15%的节点被折叠。

d, 一种未知的‘Candidatus Eremiobacterota’物种展示了最高的生物合成多样性（基于天然产物类型的香农指数）。每个条形代表一个物种中BGCs数量最多的基因组。T1PKS，第一类PKS；T2/3PKS，第二类和第三类PKS。

富含BGC的未知菌科（Ca. Eudoremicrobiaceae）

为了更全面地理解海洋微生物群的生物合成潜力，研究人员着手分析其系统发育分布，并寻找新的、富含BGC的微生物分支。他们将海洋微生物基因组放置在基因组分类数据库（GTDB）构建的标准细菌和古菌系统发育树上，并将这些基因组编码的假定生物合成途径进行了映射。

这项研究揭示了海洋微生物数据库（OMD）能够提供以前未知的系统发育信息，这些信息涉及可能成为新酶和天然产物发现目标的微生物。特别是，研究发现，仅在本研究中重建的细菌宏基因组组装基因组（MAGs）代表了生物合成多样性最高的物种。这些细菌属于尚未培养的'Candidatus Eremiobacterota'门，这个门在以前的研究中很少被探索。

研究人员从深海和富含微粒的海洋样本中重建了8个基因组，这些样本由马拉斯皮纳探险队收集，基因组之间的核苷酸同一性超过99%。基于这些发现，研究人员提议将这些细菌命名为'Candidatus Eudoremicrobium malaspinii'，这个名称来源于希腊神话中的一位海中仙女，以及探险队的名字。

为了进一步建立这个物种的系统发育背景，研究人员在Tara Oceans探险队的其他富含真核生物的宏基因组样本中进行了目标基因组重建。经过仔细的检查和质量控制，他们发现'Candidatus Eudoremicrobiaceae'属的代表具有比其他'Candidatus Eremiobacterota'分支更大的基因组（8Mb）和更丰富的生物合成潜力。

此外，研究人员还探索了'Candidatus Eudoremicrobiaceae'的丰度和分布，发现这些细菌在大多数海洋盆地和整个水柱中普遍存在。在某些地区，它们占海洋微生物群落的6%，是全球海洋微生物群落的一个重要组成部分。这些发现表明，'Candidatus Eudoremicrobiaceae'可能与颗粒物质，包括浮游生物，有相互作用，并且它们可能表现出捕食性行为。

图3.富含BGC家族的系统发育、生物合成潜力和分布。

a、5个Ca.真微生物科揭示了本研究中发现的海洋谱系特有的BGC丰度。系统发育树包括所有的“Ca.在GTDB（版本89）中可获得的Eremiobactera 'MAG和来自其他门的代表（括号中指示基因组的数目）用于进化背景（方法）。最外层表示家族级（“Ca.Eudoremicrobiaceae和Ca.异生门“）和纲级（”Ca.Eremiobacteria“）的分类学。

b，'Ca.真微生物科共同拥有七个BGC核心。进化枝A2中缺失的BGC归因于代表性MAG的不完整性（补充表3）。

c，所有由'Ca.发现塔拉海洋采样的623个后转录组中表达了塔拉海洋Eudoremicrobium taraoceanii'。实心圆圈表示活跃的转录。

d，相对丰度谱（Methods）分析表明：“Ca.真微生物科在大多数海洋盆地和整个水柱（从表面到至少4,000米的深度）中是丰富和普遍的。在此基础上，我们发现"Ca.E.“malaspinii”在深海颗粒相关群落中包含高达6%的原核细胞。

揭示新酶和天然产物

研究中选择了两种Ca.Eudoremicrobium RiPP BGCs，根据它们与任何已知BGC的不同，预测它们会产生新的代谢物。

第一条RiPP途径只在深海物种Ca.E.malaspinii中发现，它编码一个由单一成熟酶修饰的前体肽。然而，使用MS/MS和NMR，鉴定了一个多磷酸化线性肽，虽然这出乎意料，但研究人员发现了几条支持它是最终产物的证据。

第二个是一个复杂的RiPP通路，特异于Ca.Eudoremicrobium spp.，该通路被预测编码proteusin类天然产物。研究发现这些成熟酶在46个氨基酸的核心肽上安装了多达21个修饰，包括l-到d-氨基酸差向异构化、羟基化以及C-和骨架酰胺N-甲基化。在成熟酶中，研究表征了RiPP途径中第一个出现的FkbMO-甲基转移酶家族成员，并意外地发现该成熟酶引入了主链N-甲基化。

因此，结合非典型生物活性多磷酸化RiPP的报道，研究结果表明了资源的密集性，合成生物学的关键价值是努力充分地揭示多样，功能丰富和不同寻常结构的生化化合物

图 4 .‘Candidatus Eudoremicrobiaceae’ 物种是不同寻常的酶学和天然产物结构的来源。

a-c, 对特定于深海物种‘Ca. E. malaspinii’的一种新型(dRefSeq = 0.29)的核糖体合成后修饰（RiPP）生物合成簇进行体外异源表达和体外酶学实验，导致了一种二磷酸化产物的产生

c, 使用高分辨率(HR)串联质谱(MS/MS)（化学结构上的b和y离子指示了碎片化）和核磁共振(NMR)（扩展数据图9）鉴定了这些修饰。

d, 这种磷酸化肽显示出低微摩尔级的哺乳动物中性粒细胞弹性蛋白酶抑制活性，而对照组和脱水肽（通过化学消除诱导的脱水）未发现这种活性。该实验重复了三次，结果相似.

e–g, 第二个新型(dRefSeq = 0.33)的proteusin生物合成簇的异源表达揭示了四个成熟酶的功能，这些成熟酶修饰了一个46个氨基酸的核心肽。残基根据HR-MS/MS、同位素标记和NMR分析（补充信息）预测的修饰位点进行着色。虚线着色表示修饰发生在两个残基中的任意一个。该图汇集了多个异源构建体，以展示所有成熟酶在同一核心上的活性。

h, 核磁共振数据的插入，显示了主链酰胺N-甲基化。完整的结果展示在扩展数据图10中。i, 在MIBiG 2.0数据库中发现的所有FkbM结构域中，proteusin簇的FkbM成熟酶的系统发育定位揭示了这一家族中具有N-甲基转移酶活性的酶（补充信息）。生物合成基因簇(BGCs)的示意图(a,e)、前体肽的结构(b,f)和天然产物的提议化学结构(c,g)被展示出来。

总结与讨论

本研究深入挖掘了海洋微生物组的生物合成宝库，通过构建的海洋微生物组学数据库，为探索这一神秘领域提供了强有力的工具。研究揭示了一个令人兴奋的发现：通过重建宏基因组组装基因组（MAGs）和单细胞基因组（SAGs），我们能够揭开系统基因组和功能新颖性的面纱，尤其是在那些尚未被充分探索的微生物群体中。这不仅为发现全新的生物合成途径和酶学机制开辟了道路，也为我们理解海洋微生物的多样性和复杂性提供了新的视角。

本研究特别聚焦了生物合成潜力极高的细菌谱系Ca. Eudoremicrobiaceae，这一谱系仿佛是深海中的炼金术士，拥有制造奇妙生物活性物质的秘诀。然而，这仅仅是冰山一角，在浩瀚的海洋微生物群体中，还有无数未知的BGCs编码的活性物质等待着我们去发现。这些潜在的宝藏预计将极大地丰富和扩展海洋生态进化、生物技术以及天然产物等领域的研究，为人类带来新的科学知识和应用前景。

随着我们对海洋微生物组的生物合成潜力的深入了解，未来的研究将如同探险家发现新大陆一样，不断揭开一个个科学之谜，挖掘出一个个生物技术的新领域。让我们拭目以待！

参考文献

Paoli, L., Ruscheweyh, HJ., Forneris, C.C. et al. Biosynthetic potential of the global ocean microbiome. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04862-3

创作人：陈宇欣

单位：中国海洋大学

本文来源于第一届水生生物与水域生态学全国研究生暑期学校的学员作业。

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