多个HGT基因可以整合成宿主和共生菌之间的合成通路

[所属分类:新闻动态] [发布时间:2019-12-17] [发布人:] [阅读次数:] [返回]

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近日，来自美国蒙大拿大学John P. McCutcheon带领的团队发表题为“Peptidoglycan Production by an Insect-Bacterial Mosaic”的长文，揭示了粉蚧基因组水平转移的基因与内共生菌Moranella基因组上保留的基因存在合作机制，宿主中HGT基因编码的昆虫蛋白被转运到Moranella的细胞质中，并在内共生菌细胞外周产生PG层。该发现与细胞器中发现的遗传和生化嵌合现象极其相似，证明多个HGT基因可以整合成一个分布于宿主和内共生菌之间的生化合成通路。

本文中，作者首先对粉蚧中的PG合成通路进行了基因组注释，证明如果粉蚧能产生PG层，则该PG层应由典型的交联β-1,4-链GlcNAc-MurNAc的二糖与L-Ala-D-Glu-mDap-D-Ala四肽组成。此外，由于Tremblaya基因组中没有PG合成相关基因，作者预测Tremblaya细胞应该没有PG层。随后作者利用LC-MS/MS检测了粉蚧中是否存在PG，发现粉蚧-Tremblaya-Moranella共生系统中存在PG，而该PG的定位是未知的。为确定PG的空间定位，作者开发了一种基于纳米尺度分辨率的二次离子质谱分析方法（nanoSIMS）并结合荧光原位杂交来检测PG特异性组分D-Ala的定位情况，发现D-Ala专一性富集于Moranella细胞周围。Moranella基因组中编码的青霉素结合蛋白Pbp1B能参与PG生物合成，而抗生素头孢磺洛丁能特异性靶向该蛋白抑制PG合成。为进一步证明PG层在该共生系统中的定位，作者对粉蚧进行了头孢磺洛丁饲喂实验，发现与对照组相比，头孢磺洛丁处理使Moranella的胞浆周空间明显增大，而Tremblaya无显著变化。该实验证明膜间隔增大表型是Moranella特有的，而不仅仅是由于抗生素处理对粉蚧健康损害导致的。

PG合成基因通常是通过HGT转移到昆虫基因组中的，Moranella中的PG可能通过两种方式产生：第一种可能方式是HGT参与合成的PG前体被转运到Moranella细胞质中，第二种可能的方式是HGT首先在昆虫体内被翻译，然后作为蛋白质运输到Moranella细胞质中，产生PG前体分子。作者基于之前豌豆蚜中的相关研究，推测很可能是第二种方式。如果该推测成立，则意味着这些蛋白需要跨越5层脂质双分子层到达Moranella细胞质。为验证该假说，作者合成了一种HGT获得的与PG产生有关的MurF蛋白的单克隆抗体，免疫荧光染色证明该蛋白仅定位于昆虫的部分组织和Moranella细胞质中。这一定位模式表明，由粉蚧核基因组HGT产生的基因可以被宿主翻译为蛋白质，并可以穿过Tremblaya的三层脂质双分子层和Moranella的两层脂质双分子层运输到Moranella细胞质中。该结果证明，PG是由Moranella产生的，而第一种PG合成假说可能性较小。

综上所述，本研究通过研究粉蚧与内共生菌的PG合成机制，证明多基因、多基因组和多细胞组分的整合与分工并不是细胞器独有的，细胞生物学、遗传学和生物化学等多层次的嵌合调控可以在线粒体和质体之外的生物合成通路中发挥重要作用。值得一提的是，本论文从投稿到接收仅耗时两月有余，作者利用多种实验手段巧妙证实了HGT在复杂的宿主-内共生菌镶嵌型生化合成通路中的重要作用，丰富了我们对HGT的理解，深入解析HGT基因介导的宿主-内生菌通讯机制或许将成为未来重要的研究方向。