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近日，深海生物學研究室深海生物活性物質研究團隊撰寫的論文“α-Pyrone mediates quorum sensing through the conservon system in Nocardiopsis sp.”于Microbiological Research期刊（生物學1區(qū)）在線發(fā)表，碩士畢業(yè)生朱柏羽為文章第一作者，韓壯副研究員為通信作者。該研究在馬里亞納海溝深淵來源菌株Nocardiopsis sp. LDBS0036中發(fā)現(xiàn)一種新的放線菌信號分子—α-吡喃酮 (α-pyrone)，這類化合物可以調節(jié)擬諾卡氏菌的群體感應過程。同時，研究發(fā)現(xiàn)α-吡喃酮介導的調節(jié)機制在諾卡氏菌屬中較為普遍且在放線菌的種內及種間相互作用中扮演著重要功能。因此，本文研究結果揭示了一種新型的群體感應信號系統(tǒng)，這預示著目前仍有很多潛在的細菌通信模式尚未被發(fā)現(xiàn)。

微生物的群體感應（Quorum Sensing）是一種微生物間的溝通交流機制，微生物通過釋放和感知信號分子（自誘導劑）來檢測種群密度和環(huán)境變化，并調節(jié)基因表達。當種群密度達到某個閾值時，信號分子的濃度增加，觸發(fā)一系列基因表達，協(xié)調群體行為，如生物發(fā)光、生物膜形成、毒素和抗生素的產生。

放線菌能夠產生大量具有生物活性的次生代謝物，這些代謝物的生產通常由群體感應信號分子調節(jié)。團隊發(fā)現(xiàn)了擬諾卡氏菌Nocardiopsis sp. LDBS0036中的新型信號分子—α-吡喃酮 (α-pyrone)，且通過研究驗證了α-吡喃酮的信號分子功能。結果顯示，小分子nocapyrone I可以介導菌株的群體感應，誘導吩嗪類抗生素的產生（圖1a-c）。通過生物信息學分析發(fā)現(xiàn)，菌株LDBS0036中吡喃酮合成基因上游存在一個多組分調控系統(tǒng)——Conservon。敲除該系統(tǒng)的基因后，吩嗪和吡喃酮的產量均受到影響，推測其用于接收和傳遞α-吡喃酮信號（圖2a）。

圖1 菌株LDBS0036中吡喃酮調控群體感應和次級代謝

圖2 Conservon系統(tǒng)調控吩嗪的產生及其與吡喃酮合成基因在擬諾卡氏菌中的分布

分析發(fā)現(xiàn)，包含conservon系統(tǒng)的吡喃酮生物合成基因簇在放線菌擬諾卡氏屬（Nocardiopsis）中廣泛存在并高度保守（圖2e）。此外，吡喃酮同系物在鏈霉菌屬中也存在并且通過不同途徑合成。將代表性的擬諾卡氏菌及鏈霉菌發(fā)酵上清液添加到吡喃酮敲除型菌株?nprB后，恢復了吩嗪的產生（圖3a）。通過質譜分析和構建化合物的分子網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)能激活吩嗪產生的菌株中都可以產生吡喃酮類小分子（圖3b）。基于此，團隊提出了不同來源、不同類型的α-吡喃酮類小分子介導放線菌種間及種內相互作用的模型（圖3c）。該研究結果拓展了我們對放線菌群體感應系統(tǒng)的認識，有助于在放線菌中激活沉默的活性代謝產物合成，同時也可以為合成生物學提供開關、生物傳感器和邏輯門等工具。

圖3 α-吡喃酮介導的種間及種內相互作用

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃，海南省重點研發(fā)計劃和全球深淵深潛探索計劃（Global TREnD）等項目的支持。

論文信息：Boyu Zhu(朱柏羽), Ziyun Cen(岑梓韻), Yiqiu Chen(陳以秋), Kun Shang(尚琨), Ji’an Zhai(翟吉安), Meigui Han(韓梅桂), Jiawei Wang(王佳偉), Zhiyong Chen(陳志勇), Taoshu Wei(魏韜書), Zhuang Han*(韓壯). α-Pyrone mediates quorum sensing through the conservon system in Nocardiopsis sp.. Microbiological Research., 2024, 285, 127767.

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.micres.2024.127767