Large number of phosphotransferase genes in the Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 genome and the study on their evolution
- 作者
- Yixiang Shi, Yi-Xue Li, Yuan-Yuan Li
- 单位
- Bioinformatics Center, Key Laboratory of Systems Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences; Shanghai Center for Bioinformation Technology
- 杂志
- BMC Bioinformatics（2010）
- DOI
- 10.1186/1471-2105-11-S11-S9
- 所属领域
- 代谢工程/合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
解析拜氏梭菌NCIMB 8052基因组中大量磷酸转移酶（PTS）基因的存在及其进化机制，并解释该菌株能更好利用果糖的分子基础。
研究策略
对拜氏梭菌NCIMB 8052及其它梭菌和模式菌株进行PTS基因组的系统比较分析，包括同源搜索、结构域注释、GC含量分析、共线性分析、系统发育树构建，并结合同源比对提出水平基因转移进化模型。
核心内容
该研究对拜氏梭菌NCIMB 8052基因组中的磷酸转移酶系统（PTS）进行了系统的比较基因组学分析，旨在解析该菌株大量PTS基因的存在及其进化机制，并解释其高效利用果糖的分子基础。研究通过同源搜索、结构域注释、GC含量分析、共线性分析及系统发育树构建等方法，对该菌株及多种梭菌和模式菌株进行了PTS基因组的比较。结果发现，拜氏梭菌NCIMB 8052基因组中存在47套PTS II基因，远多于丙酮丁醇梭菌的14套、肉毒梭菌的15套等，仅与艰难梭菌的49套相近；其中果糖/甘露糖/山梨糖家族包含9套完整基因，其GC含量（30.3%–37.5%）高于基因组平均水平的29.9%。系统发育分析将该家族IIB基因划分为三个亚组，可能分别对应三种糖底物。研究还发现Cbei3873与Cbei1840的一致性达75%，且基因组中92种插入序列的存在支持水平基因转移假说。该结果表明，PTS系统可能通过水平基因转移从高GC微生物向低GC微生物传播，而丰富的果糖转运基因是拜氏梭菌高效利用果糖的重要原因，也为理解细菌适应不同碳源环境的进化策略提供了新视角。
创新点
首次系统发现拜氏梭菌NCIMB 8052基因组中存在47套PTS II基因，其中包括9套完整的果糖/甘露糖/山梨糖家族基因；基于GC含量、共线性和系统发育分析将该家族进一步划分为三个亚组；提出PTS系统从高GC菌种向低GC菌种水平基因转移的进化模型。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei0711/0712/0713 | PTS IIAB/IIC/IIID | 转运 | 果糖/甘露糖/山梨糖家族PTS II基因集，GC%为37.5%，无sigma-54因子和糖异构酶 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei0955/0956/0957/0958 | IIA/IIB/IIC/IIID | 转运 | GC%为31.8%，邻近有sigma-54因子和糖异构酶 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei0963/0964/0965/0966 | IIA/IIB/IIC/IIID | 转运 | GC%为31.9%，邻近有sigma-54因子和糖异构酶 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei1840 | IIB | 转运 | 孤儿基因，GC%为30.8% |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei2195/2196/2197/2199 | IIC/IID/IIB/IIA | 转运 | GC%为33.9%，含插入假设蛋白Cbei2198时降为33.1% |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei2901/2902/2903 | IICD/IIB/IIA | 转运 | GC%为32.4% |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei2905/2906/2907/2908 | IIA/IID/IIC/IIB | 转运 | GC%为32.0% |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei3344 | IIA | 转运 | 孤儿基因，GC%为31.7% |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei3871/3872/3873/3874 | IID/IIC/IIB/IIA | 转运 | GC%为35.1%，邻近有sigma-54因子，Cbei3873为IIB亚基，与Cbei4913一致性95% |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei4557/4558/4559/4560 | IID/IIC/IIB/IIA | 转运 | GC%为30.3%，邻近有sigma-54因子和糖异构酶 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Cbei4911/4912/4913/4914 | IID/IIC/IIB/IIA | 转运 | GC%为35.1%，邻近有sigma-54因子，Cbei4913与Cbei3873高度相似 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS） | Cbei0196 | 酶I | 催化 | PTS酶I，单拷贝 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 磷酸转移酶系统（PTS） | Cbei1219 | Hpr（磷酸载体蛋白） | 调控 | PTS磷酸载体蛋白，单拷贝，参与碳源调控 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 果糖激酶途径 | Cbei3497, Cbei5009 | 果糖激酶 | 催化 | 与丙酮丁醇梭菌各两个拷贝，可能不决定果糖利用效率差异 |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 磷酸转移酶系统（PTS） | CAC0424, CAC1523 | 果糖激酶 | 催化 | 果糖激酶基因对照 |
| Bacillus subtilis subsp. subtilis str. 168 | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | Bsu27040/27050/27050/27070 | 果糖特异性PTS II复合物 | 转运 | GC%为44.4%，全基因组GC%为43.5%，可能为原始内源系统 |
| Escherichia coli str. K-12 substr. DH10B | 磷酸转移酶系统（PTS），果糖/甘露糖/山梨糖家族 | ECDH10B 1955/1956/1957 | 甘露糖特异性PTS II复合物 | 转运 | GC%为51.6%，全基因组GC%为50.8%，可能为原始内源系统 |
关键发现
- 拜氏梭菌NCIMB 8052基因组中有47套PTS II基因，远多于除艰难梭菌外的其它梭菌（如丙酮丁醇梭菌14套、肉毒梭菌15套、产气荚膜梭菌14套、破伤风梭菌2套），仅艰难梭菌630有49套相近
- Bacillus subtilis 168有12套，E. coli DH10B有25套。果糖/甘露糖/山梨糖家族9套完整PTS II基因集其GC含量为30.3%–37.5%，高于全基因组GC含量29.9%。Cbei3873与Cbei4913氨基酸一致性95%
- Cbei3873与Cbei1840一致性75%，与枯草芽孢杆菌果糖特异性IIB基因Bsu27060一致性39%（160 aa，68%阳性）。系统发育树将该家族IIB基因分成三簇。基因组中含有92种插入序列，其中19种e值低于1e-5，ISCb1有9个拷贝。果糖激酶基因在拜氏梭菌和丙酮丁醇梭菌中各有两个拷贝。
研究结论
拜氏梭菌NCIMB 8052的果糖/甘露糖/山梨糖家族PTS II基因可进一步分为三个亚组，可能分别对应三种糖底物；该家族所有成员均能转运果糖，这解释了拜氏梭菌能更好地利用果糖。PTS系统可能通过水平基因转移从高GC含量微生物向低GC含量微生物传播，该机制有助于细菌适应不同环境碳源。