Evolutionary flexibility and rigidity in the bacterial methylerythritol phosphate (MEP) pathway
- 作者
- Bailey Marshall, Kaustubh Amritkar, Michael Wolfe, Betül Kacar, Robert Landick
- 单位
- Department of Biochemistry, University of Wisconsin-Madison; DOE Great Lakes Bioenergy Research Center, University of Wisconsin-Madison; Department of Bacteriology, University of Wisconsin-Madison
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2023）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2023.1286626
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学 / 比较基因组学
- 关键词
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解决的核心问题
MEP 途径中 IspG 和 IspH 是限速酶，因依赖铁硫簇生物合成和还原力供给而难以通过简单过表达提高通量，需要寻找可替代这些酶的天然途径；同时探究细菌 MEP 途径的进化灵活性。
研究策略
利用比较基因组学方法，对 NCBI 参考/代表性细菌基因组（4400个物种）进行 KofamScan 同源搜索，结合 KOfam 数据库的 pHMM 鉴定 MEP/MVA 途径基因，分析基因存在/缺失模式，构建系统发育树。
核心内容
该研究通过比较基因组学方法，对NCBI数据库中4400个代表性细菌物种进行了系统的MEP途径进化分析。作者利用KofamScan同源搜索和KOfam数据库的pHMM模型，鉴定了各物种中MEP/MVA途径基因的存在与缺失模式，并构建了系统发育树。结果显示，3411个物种（78%）具有完整MEP途径且无MVA途径，541个（12%）具有MVA途径，83个（1.8%）同时携带两途径部分基因，136个（3.1%）缺乏完整的两途径。在229个候选非经典MEP途径物种中，181个（79%）仅缺失Dxs，其中4个仅含MTXu-5P甲基硫解酶，5个同时含MTXu-5P甲基硫解酶和MTRu-1P异构酶。值得注意的是，仅Lelliotia steviae缺失IspG，Mycoplasma tullyi和Mycoplasmodes gallisepticum缺失IspH。这些结果表明，在已测序细菌中IspG和IspH进化上不可或缺，未发现可绕过的替代酶，而Dxs则存在多种潜在替代途径。这一发现为MEP途径代谢工程提供了重要指导：应继续优化IspG/IspH以提高通量，同时探索Dxs替代酶以规避调控瓶颈。
创新点
首次大规模系统评估细菌 MEP 途径的进化灵活性；发现 Dxs 存在多种潜在替代机制而 IspG/IspH 进化上刚性；为代谢工程提供候选物种和进化视角。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| — | MEP 途径 | dxs | Dxs (1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase) | 催化 | MEP 途径第一个酶，存在进化替代策略，受反馈调控 |
| — | MEP 途径 | dxrI/dxrII | DxrI/DxrII (DXS reductoisomerase) | 催化 | 存在 II 型同工酶 DxrII |
| — | MEP 途径 | ispD | IspD (2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidylyltransferase) | 催化 | 可与 IspF 融合为 IspDF |
| — | MEP 途径 | ispE | IspE (4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol kinase) | 催化 | — |
| — | MEP 途径 | ispF | IspF (2-C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate synthase) | 催化 | 可与 IspD 融合为 IspDF |
| — | MEP 途径 | ispG | IspG (MEcPP reductase, [4Fe-4S] protein) | 催化 | 铁硫簇酶，进化上刚性，无替代酶 |
| — | MEP 途径 | ispH | IspH (HMBPP reductase, [4Fe-4S] protein) | 催化 | 铁硫簇酶，进化上刚性，无替代酶 |
| — | MTA-异戊二烯分流 (替代 Dxs 路径) | mtru-1P isomerase (Rubisco-like protein) | MTRu-1P 异构酶 | 催化 | 参与 MTA 分流，可将 MTRu-1P 异构化 |
| — | MTA-异戊二烯分流 (替代 Dxs 路径) | mtxu-5P methylsulfurase (cupin type I) | MTXu-5P 甲基硫解酶 | 催化 | 参与 MTA 分流，生成 DXP |
| — | MVA 途径 | hmgs | HMGS (HMG-CoA synthase) | 催化 | MVA 途径酶，仅用于判定 MVA 途径存在 |
| — | MVA 途径 | hmgr/hmgri/hmgrII | HMGR (HMG-CoA reductase) | 催化 | — |
| — | MVA 途径 | mvk | MVK (mevalonate kinase) | 催化 | — |
| — | MVA 途径 | dpmd | DPMD (diphosphomevalonate decarboxylase) | 催化 | — |
关键发现
- 在 4400 个细菌物种中，3411（78%）具有完整 MEP 途径且无 MVA 途径
- 541（12%）具有 MVA 途径
- 83（1.8%）同时具有两途径部分基因
- 136（3.1%）缺乏完整两途径（基因组中位大小 843,495 bp）。229 个候选非经典 MEP 途径物种中，181（79%）仅缺失 Dxs
- 其中 4 个仅含 MTXu-5P 甲基硫解酶，5 个同时含 MTXu-5P 甲基硫解酶和 MTRu-1P 异构酶。仅 Lelliotia steviae 缺失 IspG（可能因基因组组装缺失 1 Mbp）
- Mycoplasma tullyi 和 Mycoplasmodes gallisepticum 缺失 IspH。IspG 蛋白树中，含有 A* 结构域的三个结构域形式出现在 Bacteroidota、Chlorobi、Verrucomicrobia 和 Chlamydiae 中。Staphylococcus 属 35 个物种中 27 个（77%）使用 MVA 途径，8 个（23%）使用 MEP 途径。
研究结论
在已测序细菌中，IspG 和 IspH 未发现可绕过的替代酶，进化上不可或缺；Dxs 则存在多种潜在替代途径，进化上灵活。这一发现为 MEP 途径代谢工程提供了指导：应继续优化 IspG/IspH 以提高通量，同时探索 Dxs 替代酶以规避调控瓶颈。