2021年8月，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實驗室周寧一教授團(tuán)隊在mBio雜志在線發(fā)表了題為“A Recently Assembled Degradation Pathway for 2,3-Dichloronitrobenzene in?Diaphorobacter?sp. Strain JS3051”的研究論文，這項工作不僅建立了 2,3-二氯代硝基苯（23DCNB）礦化的分子機(jī)制，而且增強(qiáng)了對硝基芳烴分解代謝途徑的近期演變的理解。

?基本信息?

中文標(biāo)題：最新組裝的Diaphorobacter?sp. Strain JS3051的2,3-二氯硝基苯降解途徑

發(fā)表期刊：mBio ???

影響因子：7.867

主要研究技術(shù)：歐易生物微生物基因組de novo測序

?研究背景?

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，相對來說存在的時間比較短。微生物能夠通過快速進(jìn)化而在相對較短的時間內(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。

?主要研究結(jié)果?

1.?23DCNB分解代謝基因的預(yù)測和組裝

基于已報到數(shù)據(jù)，推測菌株JS3051通過Rieske家族的非血紅素雙加氧酶催化23DCNB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（34DCC），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?Diaphorobacter?sp. strain JS3051中23DCNB的分解途徑及編碼酶的候選基因

2.?Reiske-iron雙加氧酶催化23DCNB二羥基化為34DCC

將來自菌株JS3051的23DCNB雙加氧酶系統(tǒng)（dcbAaAbAcAd）克隆到pETDuet-1中并在大腸桿菌菌株 BL21（DE3）?細(xì)胞中表達(dá)，通過GC-MS分析進(jìn)一步確認(rèn)在生物轉(zhuǎn)化過程中，23DCNB以化學(xué)計量方式轉(zhuǎn)化為34DCC和NO2-。結(jié)果表明，DcbAaAbAcAd是一種23DCNB雙加氧酶，能夠?qū)?3DCNB氧化為34DCC，同時釋放亞硝酸鹽。在JS3051的基因組中未發(fā)現(xiàn)其它硝基芳烴雙加氧酶候選物。

圖2 攜帶pETDuet-DCB的大腸桿菌細(xì)胞對23DCNB的全細(xì)胞生物轉(zhuǎn)化

3.?硝基芳烴雙加氧酶的結(jié)構(gòu)比較

JS3050與JS3051是從同一棲息地中分離出來的，盡管它們對DCNB代謝途徑相似，但其基因來源確大不相同。分析表明34DCNB雙加氧酶（JS3050菌株）與2,4-二硝基甲苯（24DNT）雙加氧酶來源相同，而23DCNB雙加氧酶（JS3051菌株）與2-硝基苯（2NT）雙加氧酶來源更近（圖3）?；钚晕稽c中底物相容性分析表明不同前體雙加氧酶的活性位點針對它們各自的DCNB底物分別進(jìn)化，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4）。

圖3?萘（naphthalene）和硝基芳烴（nitroarene）雙加氧酶的系統(tǒng)發(fā)育樹

圖4 活性中心中硝基芳香族底物的取向。A. 硝基芳烴的二羥基化位置；B. 底物結(jié)合口袋中2NT和23DCNB的方向；C. 底物結(jié)合口袋中24DNT和34DCNB的方向

4.?兩株菌株中編碼DCNB異構(gòu)體分解途徑基因的不同近期起源

JS3050?dcnAd兩側(cè)的IS30樣插入序列與菌株DNT相同，在組織和序列上與JS3051的移動元件完全不同（圖5A）；參與氯兒茶酚途徑的基因不連續(xù)地分布在菌株JS3050的染色體和質(zhì)粒上，并且與菌株JS3051中的連續(xù)dcc基因顯示出相對較低的同一性（圖5B）。盡管從同一地點分離的兩個密切相關(guān)的菌株利用Nag樣硝基芳烴雙加氧酶催化DCNB的初始雙加氧反應(yīng)，但研究結(jié)果表明它們最近的祖先不同。

圖5 由兩個來源組裝的 23DCNB 分解代謝途徑。A.?dcb基因；B.?dcc基因?

?課題組和項目簡介?

周寧一教授團(tuán)隊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)隊鑒定了2-氯硝基苯代謝途徑（Applied and Environmental Microbiology，AEM）和表達(dá)調(diào)控（AEM），3-硝基甲苯代謝途徑（AEM），以及3,4-二氯硝基苯代謝途徑（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），國家重點研發(fā)專項（2018YFA0901200），中國博士后科學(xué)基金（2019M661491）以及DuPont Corporate Remediation Group contract LBIO-65019的支持。

?參考材料?

Li T, Gao YZ, Xu J, et al. A Recently Assembled Degradation Pathway for?2,3-Dichloronitrobenzene in?Diaphorobacter?sp. Strain JS3051[J]. mBio. 2021

https://life.sjtu.edu.cn/En/Data/View/5879