Adv Sci丨海洋细菌如何“安全地”制造“冷室”气体？双调控因子介导的DMSP代谢调控

海洋并非只是气候变化的“被动承受者”，它本身也是重要的调节者。二甲基巯基丙酸（Dimethylsulfoniopropionate, DMSP）是海洋中最丰富的有机硫化合物之一，每年由浮游植物和部分细菌大量合成【1, 2】。微生物裂解DMSP会产生二甲基硫（Dimethyl sulfide, DMS）。DMS具有挥发性，可通过海气交换进入大气；进入大气后，它参与云凝结核的形成，并可通过降水重新回到陆地系统。因此，DMS在海洋硫库、大气硫库和陆地硫库之间构建起关键的物质桥梁。更重要的是，由于DMS参与云凝结核形成，能够影响全球云量及地球对太阳辐射的反射率，从而调节全球气候，因此常被称为“冷室气体” 【3, 4】。也正因如此，DMSP的微生物代谢不仅是一个基础生理过程，更与全球硫循环及气候调控紧密相关。

相对于其它DMSP代谢菌株，携带dddD基因的γ-变形杆菌其DMSP代谢相关基因通常聚簇，并表现出更强的DMSP利用能力【5, 6】。尽管该代谢的酶学机制已逐渐清晰，但其转录调控机制长期缺乏系统研究。尤其值得注意的是，DMSP代谢过程中会产生中间产物acryloyl-CoA，这一分子具有显著的生物毒性【7】。细菌如何在高效利用DMSP的同时避免“代谢中毒”，一直是一个重要的科学问题。

近日，中国海洋大学张玉忠教授/王鹏教授团队在Advanced Science发表题为Metabolic Regulation ofDimethylsulfoniopropionateCleavage and Dimethyl Sulfide Production inHalomonassp. D47的文章，揭示了DddD型DMSP代谢菌中DMSP裂解与DMS生成的转录调控机制。研究以分离自青岛沉积物的Halomonassp. D47为模式菌株。该菌既能利用DMSP，也能利用丙烯酸作为唯一碳源。基因组分析发现，其dddD代谢基因簇中编码两个关键调控因子：属于LysR家族的AcuZ，以及TetR家族的AcuR。通过转录组学分析、RT-qPCR验证、微量热泳动（MST）、EMSA结合实验以及结构预测与关键位点定点突变分析，研究团队系统解析了这一调控网络的分子机制。

结果显示，AcuZ主要调控DMSP转运、裂解以及下游代谢通路。在缺乏代谢信号时，AcuZ结合启动子区域抑制基因表达，控制其转录水平；当DMSP代谢产物3-羟基丙酸（3-hydroxypropionic acid, 3-HP）其构象发生改变并激活转录。这意味着，细菌只有在确认代谢确已启动后，才会全面上调代谢通路表达。相比之下，AcuR的作用更偏向“风险控制”。DMSP代谢产生的acryloyl-CoA若在细胞内积累，将对生理稳态造成严重干扰。AcuR专门调控解毒关键酶acuI的表达，并能够直接感知DMSP信号。即便在无效应物条件下，acuI仍维持一定的基础表达水平；当底物进入细胞后，解毒系统迅速增强。换言之，在代谢通路全面加速之前，细胞已经提前建立起“安全防线”。

基于这些发现，研究提出了一个协同调控模型：DMSP首先被AcuR感知并优先激活解毒系统；随后裂解产生的3-HP激活AcuZ，从而整体上调DMSP裂解与下游代谢通路。这种“先解毒，后代谢放大”的策略，使细菌在代谢收益与毒性风险之间实现了精细而稳健的平衡。这种调控模式，可能在γ-变形菌中具有一定的保守性，提示微生物在复杂环境中进化出高度精细的代谢调控策略。

图1. Halomonas sp. D47中DMSP代谢的调控策略。

原文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202514858

制版人：十一

参考文献

1. Curson AR et al. Catabolism of dimethylsulphoniopropionate: microorganisms, enzymes and genes.Nat RevMicrobiol.9(12):849-59 (2011)

2. Li CY et al. Dimethylsulfoniopropionate (DMSP): From Biochemistry to Global Ecological Significance.Annu RevMicrobiol.78(1):513-532 (2024)

3. Charlson, R et al. Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate.Nature.326, 655–661 (1987)

4. Vallina SM, et al. Strong relationship between DMS and the solar radiation dose over the global surface ocean.Science.315(5811):506-8 (2007)

5. Todd JD et al. Structural and regulatory genes required to make the gas dimethyl sulfide in bacteria.Science.315(5812):666-9 (2007)

6. Liu J et al. Oceanospirillales containing the DMSP lyase DddD are key utilisers of carbon from DMSP in coastal seawater.Microbiome.10(1):110 (2002)

7. Wang, P et al. Mechanistic insight into acrylate metabolism and detoxification in marine DMSPcatabolizing bacteria.MolMicrobiol. 106: 848862 (2017)

BioArt

Med

Plants

人才招聘

学术合作组织

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。