A Complex Interplay between Nitric Oxide, Quorum Sensing, and the Unique Secondary Metabolite Tundrenone Constitutes the Hypoxia Response in Methylobacter  

一氧化氮、群體感應和獨特次級代謝產物Tundrenone之間的復雜相互作用構成了甲基桿菌的低氧應激反應  

來源：mSystems, volume 5, issue 1, e00770-19, January 2020  

《mSystems》第5卷第1期，文章編號e00770-19，2020年1月

 

摘要內容

該研究揭示了甲基桿菌（Methylobacter）應對低氧環境的一種新穎且復雜的應激反應系統。通過實驗室操作和比較轉錄組學分析，研究發現了一個編碼雜交簇蛋白（Hcp）及其感應調控功能的基因簇在低氧條件下被顯著誘導。突變分析表明該基因簇參與低氧應激反應。進一步的轉錄組學分析揭示了NO介導的應激反應、群體感應、次級代謝產物tundrenone和甲醇脫氫酶功能之間存在復雜的相互聯系。這一獨特的低氧應激反應系統可能解釋了甲基桿菌在環境中的適應能力及其廣泛的分布。  

 

研究目的

探究甲基桿菌屬物種應對低氧環境的分子機制，特別是闡明其如何通過復雜的調控網絡在低氧條件下維持生存和代謝活性。  

 

研究思路：  

1 通過比較轉錄組學分析，對比在高氧分壓和低氧條件下培養的甲基桿菌的基因表達差異，識別低氧應激相關基因簇。  

2 構建關鍵基因（如hcp、hcr、nasA等）的敲除突變體，分析其在低氧條件下的表型變化。  

3 利用微傳感器實時測量溶解氧、NO和N?O的濃度動態變化，驗證基因功能。  

4 通過多組轉錄組學實驗（比較野生型與突變體在不同氮源和氧條件下的基因表達），揭示NO、群體感應和tundrenone之間的調控關系。  

5 整合數據，構建低氧應激反應的調控網絡模型。  

 

測量的數據：  

1 基因表達數據（轉錄組學）：通過RNA測序獲得不同處理下的全基因組表達譜（圖1,4,5,6）。  

 

 

 

 

2 生長曲線和存活率：監測野生型和突變體在低氧條件下的生長和存活情況。  

3 溶解氣體濃度（O?、NO、N?O）：使用Unisense微傳感器實時測量（圖3）。  

 

4 細胞存活/死亡比例：通過流式細胞術結合Live/Dead染色評估。  

5 應激反應表型：評估突變體對氧化應激（H?O?、paraquat）和亞硝化應激（DETA-NO）的耐受性。  

 

這些數據的研究意義：  

1 轉錄組數據揭示了低氧應激的核心基因簇（hcp-hcr）和全局轉錄重編程，證明了低氧響應的高度復雜性（圖1,4,5,6）。  

2 突變體表型分析證實了Hcp/Hcr系統在NO還原和低氧存活中的關鍵作用，以及NasA在硝酸鹽同化中的必要性。  

3 氣體測量數據直接證明了Hcp/Hcr的NO還原酶功能，并顯示NasA突變體因NO積累導致快速死亡（圖3）。  

4 多條件轉錄組比較揭示了NO濃度依賴的調控作用，以及群體感應和tundrenone對低氧響應的調制（圖5,6）。  

5 整體數據闡明了一種整合了核心代謝、反硝化、群體感應和次級代謝的獨特低氧適應策略。  

 

使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義：  

使用丹麥Unisense微傳感器測量的溶解O?、NO和N?O數據（圖3）提供了實時、原位的氣體動力學證據，對驗證假設和機制至關重要。具體意義包括：  

1 直接證明NO積累與毒性的關系：NasA突變體在硝酸鹽培養基中立即產生高濃度NO（圖3B），與其快速死亡表型一致，證實了硝酸鹽同化缺陷導致NO毒性。  

2 驗證Hcp/Hcr的NO還原功能：野生型在低氧后期才積累NO和N?O，且伴隨N?O峰值，表明Hcp將NO還原為N?O；而Hcp突變體在好氧下就積累NO且不產生N?O，直接證明Hcp是主要的NO還原酶。  

3 揭示低氧響應的時序性：氣體動態顯示NO信號僅在低氧后期出現（野生型>10小時），表明NO是低氧應激的次級信號而非初始觸發器。  

4 支持NO的雙重角色：低濃度NO可能作為信號分子（調控基因表達），而高濃度則有毒害作用，這一濃度依賴效應通過實時測量得以體現。  

5 提供生理相關數據：微傳感器的原位測量避免了采樣干擾，提供了更接近自然條件的生理數據，增強了結果的生物學相關性。  

 

結論：  

1 甲基桿菌的低氧應激反應是一個復雜系統，涉及Hcp/Hcr介導的NO還原、群體感應（QS）、次級代謝產物tundrenone以及甲醇脫氫酶功能的調控。  

2 Hcp/Hcr作為高親和力NO還原酶，是低氧存活的關鍵，其表達受NorR調控且與QS/Tun系統存在互斥調控關系。  

3 NO既是毒性分子也是信號分子，其濃度依賴性地調控包括QS、tundrenone合成和甲醇氧化在內的多個通路。  

4 群體感應和tundrenone參與低氧響應，其缺失突變體表現出低氧響應缺陷，表明它們與Hcp/Hcr系統功能交織。  

5 這種復雜的低氧適應策略可能是甲基桿菌在氧梯度環境中保持競爭力和廣泛分布的重要原因。