高级醇 · 代谢工程文献库

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Comparative Genomics of Core Metabolism Genes of Cellulolytic and Non-cellulolytic Clostridium Species

作者
Sadhana Lal, David B. Levin
杂志
Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology（2017）
DOI
10.1007/10_2015_5007
所属领域
代谢工程
关键词
BiomassCAZymesCellulolytic bacteriaCellulosomesGenetic manipulation
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解决的核心问题

解析纤维素分解与非纤维素分解梭菌物种核心代谢基因的比较基因组学差异，明确Clostridium termitidis CT1112的代谢通路及其作为生物燃料生产菌株的潜力

研究策略

对C. termitidis CT1112基因组进行测序、注释与人工校正，基于16S rRNA和cpn60 UT基因序列构建系统发育树，并以C. cellulolyticum H10和C. thermocellum ATCC 27405为参考，通过BLAST、保守结构域分析等方法对18个纤维素分解和10个非纤维素分解梭菌物种的核心代谢通路基因进行比较分析，再利用COG功能谱聚类揭示功能分化

研究路线图

100%
核心问题：比较基因组解析纤维素分解与非纤维素分解梭菌代谢差异
策略：全基因组测序+双标记系统发育+多参考基因比较
关键改造：注释校正·多参考基因预测·双标记建树·COG聚类
结果-A：基因组6.42Mb·5389基因·CAZymes最多·独特Cter_2817
结果-B：完整代谢通路（糖酵解/丙酮酸/木糖/乙醇/氢合成）
结果-C：COG聚类25株梭菌→4个Clade·功能分化清晰
结论：C. termitidis是CBP生物燃料生产的理想候选菌株
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核心内容

本研究对纤维素分解与非纤维素分解梭菌物种的核心代谢基因进行了比较基因组学分析，重点解析了Clostridium termitidis CT1112的代谢通路及其生物燃料生产潜力。研究者对该菌株基因组进行测序、注释与人工校正，基于16S rRNA和cpn60 UT基因构建系统发育树，并以C. cellulolyticum H10和C. thermocellum ATCC 27405为参考，对18个纤维素分解和10个非纤维素分解梭菌的代谢通路基因进行同源比对和保守结构域分析。结果显示，C. termitidis基因组大小为6,415,858 bp，编码5,389个基因，是所研究纤维素分解梭菌中基因组最大的菌株，且编码的CAZymes数量最多。该菌与C. cellobioparum的16S rRNA相似性达99%，其PPDK基因与C. thermocellum对应蛋白的一致性为85%。此外，鉴定到C. termitidis特有的多结构域蛋白Cter_2817。基于COG功能谱聚类将25种梭菌分为4个Clade，其中3个为纤维素分解菌群。C. termitidis拥有完整的糖酵解、丙酮酸代谢、木糖利用、乙醇及氢合成通路，是整合生物加工生产生物燃料的理想候选菌株，比较基因组分析为代谢工程改造提供了重要基础。

创新点

使用多个参考基因组进行同源基因预测；结合16S rRNA和cpn60双标记进行系统发育分析；鉴定出C. termitidis特有的多结构域GH5蛋白Cter_2817；发现C. termitidis编码的CAZymes数量最多；通过COG功能谱聚类揭示了梭菌属物种的功能分化模式

研究对象（5）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Clostridium termitidis CT1112 糖酵解 pyk 丙酮酸激酶 催化 催化磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸
Clostridium termitidis CT1112 丙酮酸代谢 pfl 丙酮酸甲酸裂解酶 催化 催化丙酮酸生成乙酰辅酶A和甲酸
Clostridium termitidis CT1112 氢合成 hydA [FeFe]氢化酶 催化 催化质子还原产生H2
Clostridium termitidis CT1112 纤维素降解 Cter_2817 多结构域GH5蛋白 催化 含CBM66-CBM66-CBM66-GH5_distGH43-CBM35-CBM66-GH43-SLH-SLH-SLH结构域，通过SLH结构域锚定于细胞表面
Clostridium termitidis CT1112 磷酸烯醇式丙酮酸代谢 ppdk 丙酮酸磷酸双激酶 催化 与C. thermocellum PPDK氨基酸序列一致性为85%

关键发现

  1. C. termitidis CT1112基因组大小为6,415,858 bp，G+C含量41.18%，共编码5,389个基因，其中5,327个CDS，4,403个有功能预测，3,392个CDS归属COG家族
  2. C. termitidis与C. cellobioparum的16S rRNA相似性达99%，且核心代谢基因氨基酸序列一致性超过90%
  3. C. termitidis的PPDK基因与C. thermocellum PPDK氨基酸序列一致性为85%
  4. C. termitidis是所有研究的纤维素分解梭菌中基因组最大的（6.42 Mb），且编码的CAZymes数量最多
  5. C. termitidis特有的Cter_2817蛋白结构为CBM66-CBM66-CBM66-GH5_distGH43-CBM35-CBM66-GH43-SLH-SLH-SLH
  6. 在7种纤维素分解梭菌中鉴定到[NiFe]和[FeFe]氢化酶同源物
  7. 非纤维素分解梭菌平均G+C含量为30%，纤维素分解梭菌平均G+C含量为36%（C. cellulovorans例外，为30%）
  8. C. saccharoperbutylacetonicum N1-4(HMT)基因组最大（6.67 Mb），C. stercorarium基因组最小（2.97 Mb）
  9. 基于COG功能谱的聚类将25种梭菌分为4个Clade，其中Clade 1、3、4为纤维素分解菌，Clade 2为非纤维素分解溶剂产生菌

研究结论

C. termitidis具有最大的纤维素分解梭菌基因组，编码完整的糖酵解、丙酮酸代谢、木糖利用、乙醇合成和氢合成通路，且拥有最多的CAZymes及独特蛋白Cter_2817，是整合生物加工（CBP）生产生物燃料的理想候选菌株。比较基因组分析能够快速获取代谢基因信息，为代谢工程改造提供重要基础