近日，自然资源部第三海洋研究所“深海微生物代谢机制与环境作用创新团队”在深海微生物多环芳烃代谢与调控机制研究方面取得重要进展。 研究成果于2021年10月在美国微生物学会旗下权威学术期刊 “mSystems” （5年影响因子：7.6，JCR一区）上发表，题目为“An intracellular sensing and signal transduction system that regulates the metabolism of polycyclic aromatic hydrocarbons in bacteria”。 创新团队首席邵宗泽研究员为文章的通讯作者，首席助理王万鹏研究员为文章的第一作者。

多环芳烃（PAHs）是具有两个或多个苯环的疏水性化合物，在全球海洋、陆地和大气中广泛分布。PAHs可以通过大气层传输，扩散至偏远的洋区。在深海水中，PAHs倾向于吸附在悬浮颗粒上，并沉积至海底沉积物。此外，海底火山爆发、洋中脊热液活动等海底活动也可产生PAHs。因此，即使在热液区、甚至洋壳深部等极端海洋环境中，也会发现PAHs的存在。最近，同济大学李江涛等人在Nature发文报道，IODP钻井下地壳岩芯样品中也存在PAHs降解菌的活动(Li et al., 2020)。

自2005年，我们率先开展了大洋深海PAHs降解多样性与代谢机制的研究。发现深海细菌Cycloclasticus在大西洋、太平洋、北冰洋、印度洋等各大洋深海沉积物、水体与热液环境中广泛分布，是优势PAHs降解菌(Cui et al., 2008; Dong et al., 2015; Wang et al., 2008; Wang et al., 2020)。最近，我们首次解析了分离自太平洋深海沉积物高效PAHs降解菌Cycloclasticus sp.P1对多种多环芳烃代谢机制，发现了萘\菲\芘不同代谢途径与关键基因(Wang et al., 2018)。

尽管国内外已经能对海洋PAHs降解菌多样性与代谢途径研究有了较为系统的研究，但是细菌是如何发现环境中PAHs、如何将胞外的PAHs信号转导到细胞内，并驱动趋化、吸收与代谢过程等等，这些过程尚鲜为人知。为回答这些问题，我们以海洋环境中广泛分布的PAHs降解细菌Cycloclasticus为研究对象开展相关研究，确定了参与多环芳烃胞内感受、信号转导和不同种类PAHs降解途径调节的关键基因（图1）。结果显示，多环芳烃特异性地与二聚体环苷酸环化酶(PdgC)结合，导致环二聚体GMP (c-di-GMP)的生成（图2），随后与两种CRP/FNR家族调节蛋白DPR-1和DPR-2结合（图3）。c-di-GMP分别激活DPR-1和DPR-2的转录功能，正向调控芘和菲/萘等PAHs的降解途径基因表达。这是国际上首次对细菌降解PAHs相关的细胞内信号转导途径的报道。研究结果有助于深入认识细菌的烃代谢调控网络及其对PAHs污染环境的响应机制。

图1. 细胞胞内PAHs感应、信号转导系调控代谢模式图

图2 胞内感应蛋白PdgC与PAHs的相互作用

图3 第二信使c-di-GMP激活转录调控因子DPRs促进PAHs降解

该研究得到了国家自然科学基金“水圈微生物”重大研究计划重点项目（91851203）、国家自然科学基金“优青”项目（41922041）及创新团队建设经费的支持。

论文链接：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mSystems.00636-21

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