2021年8月，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室周宁一教授团队在mBio杂志在线发表了题为“A Recently Assembled Degradation Pathway for 2,3-Dichloronitrobenzene in Diaphorobacter sp. Strain JS3051”的研究论文，这项工作不仅建立了 2,3-二氯代硝基苯（23DCNB）矿化的分子机制，而且增强了对硝基芳烃分解代谢途径的近期演变的理解。
基本信息
中文标题：最新组装的Diaphorobacter sp. Strain JS3051的2,3-二氯硝基苯降解途径
发表期刊：mBio
影响因子：7.867
主要研究技术：欧易生物微生物基因组de novo测序
研究背景
环境中的化合物按照其来源不同可分为天然化合物和人工合成化合物，后者是随着近代工业发展而释放到环境中，相对来说存在的时间比较短。微生物能够通过快速进化而在相对较短的时间内获得代谢人工合成化合物的能力，因此在分子生物学与酶学水平研究微生物如何代谢人工合成化合物及其催化机理可为揭示细菌适应性进化机制提供重要线索。
主要研究结果
1. 23DCNB分解代谢基因的预测和组装
基于已报到数据，推测菌株JS3051通过Rieske家族的非血红素双加氧酶催化23DCNB代谢起始的双加氧反应，分别生成4,5-二氯邻苯二酚和3,4-二氯邻苯二酚（34DCC），后续由氯邻苯二酚1,2-开环酶催化开环反应形成二氯黏糠酸，并逐步进入TCA循环。
图1 Diaphorobacter sp. strain JS3051中23DCNB的分解途径及编码酶的候选基因
2. Reiske-iron双加氧酶催化23DCNB二羟基化为34DCC
将来自菌株JS3051的23DCNB双加氧酶系统（dcbAaAbAcAd）克隆到pETDuet-1中并在大肠杆菌菌株 BL21（DE3） 细胞中表达，通过GC-MS分析进一步确认在生物转化过程中，23DCNB以化学计量方式转化为34DCC和NO2-。结果表明，DcbAaAbAcAd是一种23DCNB双加氧酶，能够将23DCNB氧化为34DCC，同时释放亚硝酸盐。在JS3051的基因组中未发现其它硝基芳烃双加氧酶候选物。
图2 携带pETDuet-DCB的大肠杆菌细胞对23DCNB的全细胞生物转化
3. 硝基芳烃双加氧酶的结构比较
JS3050与JS3051是从同一栖息地中分离出来的，尽管它们对DCNB代谢途径相似，但其基因来源确大不相同。分析表明34DCNB双加氧酶（JS3050菌株）与2,4-二硝基甲苯（24DNT）双加氧酶来源相同，而23DCNB双加氧酶（JS3051菌株）与2-硝基苯（2NT）双加氧酶来源更近（图3）。活性位点中底物相容性分析表明不同前体双加氧酶的活性位点针对它们各自的DCNB底物分别进化，其活性口袋与底物取代基团的适配性决定了其进化来源（图4）。
图3 萘（naphthalene）和硝基芳烃（nitroarene）双加氧酶的系统发育树
图4 活性中心中硝基芳香族底物的取向。A. 硝基芳烃的二羟基化位置；B. 底物结合口袋中2NT和23DCNB的方向；C. 底物结合口袋中24DNT和34DCNB的方向
4. 两株菌株中编码DCNB异构体分解途径基因的不同近期起源
JS3050 dcnAd两侧的IS30样插入序列与菌株DNT相同，在组织和序列上与JS3051的移动元件完全不同（图5A）；参与氯儿茶酚途径的基因不连续地分布在菌株JS3050的染色体和质粒上，并且与菌株JS3051中的连续dcc基因显示出相对较低的同一性（图5B）。尽管从同一地点分离的两个密切相关的菌株利用Nag样硝基芳烃双加氧酶催化DCNB的初始双加氧反应，但研究结果表明它们最近的祖先不同。
图5 由两个来源组装的 23DCNB 分解代谢途径。A. dcb基因；B. dcc基因
课题组和项目简介
周宁一教授团队长期从事硝基芳烃类化合物的生物降解研究。本工作是继该团队鉴定了2-氯硝基苯代谢途径（Applied and Environmental Microbiology，AEM）和表达调控（AEM），3-硝基甲苯代谢途径（AEM），以及3,4-二氯硝基苯代谢途径（Environmental Microbiology）等研究成果后的重要进展。相关工作得到了国家自然科学基金（31870084、31700093和31900075），国家重点研发专项（2018YFA0901200），中国博士后科学基金（2019M661491）以及DuPont Corporate Remediation Group contract LBIO-65019的支持。
参考材料
Li T, Gao YZ, Xu J, et al. A Recently Assembled Degradation Pathway for 2,3-Dichloronitrobenzene in Diaphorobacter sp. Strain JS3051[J]. mBio. 2021
https://life.sjtu.edu.cn/En/Data/View/5879
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