产生冷室气体二甲基硫的新型甲基转移酶广泛存在于多种海洋细菌中
Article，2024-08-28，Nature Microbiology，[IF 20.5]
DOI：https://doi.org/10.1038/s41564-024-01788-6
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41564-024-01788-6
第一作者：张蕴慧、孙创、郭子华
通讯作者：张晓华、Jonathan D. Todd
主要单位：
中国海洋大学海洋生命学院
中国海洋大学进化与海洋生物多样性研究所
英国东英吉利大学
硫化氢（H2S）、甲硫醇（MeSH）和二甲基硫（DMS）是海洋和大气中普遍存在的含硫气体，它们在生物地球化学循环、趋化性和气候调节等方面发挥重要作用。海洋中DMS的主要生物来源被认为是二甲基巯基丙酸内盐（dimethylsulfoniopropionate，DMSP）的裂解。此外，MeSH和H2S的甲基化也能够产生DMS，但介导这一过程的关键酶甲基转移酶MddA主要存在于陆地环境中，在DMS大量产生的海洋环境中丰度极低，因此长期以来，海洋环境中该途径对于DMS产生的贡献往往被忽略。本研究鉴定了一种MeSH和H2S的新型甲基转移酶MddH，它广泛存在于各种海洋细菌以及部分淡水和土壤细菌中。mddH基因在全球海水和近岸沉积物细菌中的丰度分别高达5%和15%，远高于mddA。此外，海洋中mddH的转录水平与最丰富的DMSP裂解基因dddP的转录水平相似。这项研究表明，H2S和MeSH的S-甲基化途径在海洋环境中的重要性被大大低估。
海洋中藻类和微生物合成的大量二甲基巯基丙酸内盐（DMSP）是海洋中DMS的主要来源，由DMSP裂解产生DMS这一过程被认为主要是由海洋细菌驱动。但也有DMSP非依赖的细菌DMS产生途径，如硫化氢（H2S）和甲硫醇（MeSH）的S-甲基化。但已知的催化该过程的酶MddA主要存在于陆地土壤中，在海水细菌中含量较低。本研究鉴定并表征了一种新型甲基转移酶MddH，阐明了其分布情况、生理作用和全球海洋环境中的丰度，强调了Mdd途径在全球海洋硫循环中的潜在重要作用。
本研究从不同海洋环境中分离到多株盐单胞菌属细菌，发现其中四株具有利用MeSH产生DMS的活性，两株不具有该活性（图1b，d-f）。对这六株菌进行全基因组测序，发现这些菌株中并没有已知的H2S和MeSH甲基转移酶MddA，这表明具有Mdd活性的四株盐单胞菌可能含有未知的Mdd酶。比较基因组结果表明，四株具有Mdd活性的盐单胞菌与缺乏这种表型的菌株相比，共有84个特有基因，其中仅有一个基因编码甲基转移酶，该基因被注释为泛醌甲基转移酶UbiE。对该基因进行克隆表达和基因敲除，验证了该基因的编码产物的确具有Mdd活性，并将其命名为MddH。
MddH的同源蛋白广泛存在于多种细菌中，包括α-、γ-、β-、δ-变形菌纲、拟杆菌纲、酸杆菌纲等（图2）。与mddH不同，mddA基因则主要存在于放线菌、α-变形菌、根瘤菌中。此外，大多数含有mddA的细菌是从陆地土壤或淡水中分离出来的，而mddH主要存在于海洋海水或沉积物中的多种细菌中，如盐单胞菌属、海杆菌属、新鞘氨醇杆菌属和赤杆菌属（图2）。在土壤、湖泊、泉水和其他来源的细菌中也发现了mddH，但远少于海洋来源的细菌。
MddH的最适pH是9.0，最适温度是45℃。以H2S为底物时的Km值为0.22 mM，与MeSH的相近（0.23 mM），而H2S的kcat值为0.16 s−1，是MeSH的2倍（0.08 s-1）（图3）。MddH以H2S为底物时的效率（kcat/Km≈ 727 M−1·s−1）是以MeSH为底物时的效率（kcat/Km ≈ 347 M−1·s−1）的两倍。与MddA相比，MddH的催化效率更高。
研究评估了野生株、mddH缺失突变株和回复突变株在L-Met、H2S、MeSH、半胱氨酸、H2O2、钴或锌添加下的生长能力。与野生型菌株相比，除了MeSH外，这些化合物和金属都不影响缺失突变株的生长。相反，尽管与野生型菌株和回复突变株具有相似的初始生长速率，与野生型和回复突变株相比，缺失突变株在2 mM MeSH中生长时，最终生物量降低。此外，mddH的转录在添加MeSH后显著上调2.5倍，而添加L-Met和H2S后并未上调。这些数据表明，MddH或可通过产生无毒DMS来解毒MeSH对细菌的毒害作用。
在243个Tara Oceans海水宏基因组数据中，有242个南/北大西洋、南/北太平洋、印度洋和地中海等海域的样品中存在mddH，其相对丰度>4%。相比之下，mddA仅存在于190个Tara Oceans海水样品中，且在这些样品中mddA的丰度显著低于mddH的丰度（图4）。从Tara Oceans宏基因组中检索到的216条MddH序列全部来自变形菌门（其中γ-变形菌纲占73.1%，α-变形菌纲占12.0%）。而MddA则分布在更多样化的细菌分类中，包括拟杆菌门、蓝藻门、浮霉菌门和α-、γ-变形菌纲等。在Tara Oceans的187个宏转录组样品中，mddH和mddA的转录本分别存在于186和63个样品中。此外，渤海、黄海表层沉积物中含有mddH的细菌高达~15%（0.88 ~ 14.74%）。在大多数样品中，mddH的相对丰度远高于mddA（0.39-3.34%）。以上结果表明沉积物中含有mddH和mddA的细菌通常比海水中的丰度更高，并且mddH是这些海洋环境中的优势Mdd基因。
以上研究结果证实海洋环境中甲硫醇和硫化氢的甲基化过程对DMS产生的贡献被大大低估，由MddH介导的这一甲基化过程是海洋中DMS的另一个重要来源。新型DMS产生酶MddH的发现拓展了我们对于海洋微生物驱动硫循环过程的认知，对深入理解全球硫循环和气候变化有重要科学意义。
Zhang, Y., Sun, C., Guo, Z. et al. An S-methyltransferase that produces the climate-active gas dimethylsulfide is widespread across diverse marine bacteria. Nat Microbiol (2024). https://doi.org/10.1038/s41564-024-01788-6
主要从事微生物海洋学研究，重点关注不同海洋环境中微生物有机硫循环过程的生态研究和微生物有机硫的代谢过程中的新基因的鉴定。以第一作者在Nature Microbiology、Molecular Ecology、Applied and Environmental Microbiology等微生物学领域主流期刊发表多篇SCI论文。
作者主页：
https://cmls.ouc.edu.cn/2023/0302/c12080a424788/page.htm
孙创，东英吉利大学在读博士生。
作者主页：
https://www.researchgate.net/profile/Chuang-Sun-11/research
郭子华，中国海洋大学在读博士生。
作者主页：https://www.researchgate.net/profile/Zihua-Guo
张晓华，中国海洋大学海洋生命学院二级教授、博导，担任国际期刊mSystem编委，Marine Life Science & Technology常务副主编。主要从事微生物海洋学研究，重点关注海洋微生物驱动的地球化学循环过程和机制。以通讯作者在Nature Microbiology、Nature Communications等发表SCI论文100余篇。
作者主页：
http://cmls.ouc.edu.cn/2018/0426/c12080a188960/page.htm
Jonathan D. Todd，英国东英吉利大学，教授，以第一/通讯作者在Science和Nature Microbiology、Nature Communications等顶尖期刊发表论文10余篇，在Microbiome, The ISME Journal等其他顶尖期刊发表研究论文近百篇。致力于探究微生物在生物地球化学循环中发挥的作用，旨在深入了解微生物在维持生态平衡和驱动生物地球化学循环中所发挥的重要作用，鉴定了多数的DMSP裂解和合成基因。
作者主页：
https://research-portal.uea.ac.uk/en/persons/jonathan-todd
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