01 研究背景

二甲基巯基丙酸内盐（dimethylsulphoniopropionate, DMSP）是海洋环境中最丰富的有机硫分子之一，也是“冷室气体”二甲基硫（dimethyl sulphide, DMS）的最主要前体物质，在气候变化和全球硫循环中扮演重要角色。海洋中的微生物可以通过不同种类的裂解酶将DMSP代谢为挥发性的DMS。本文中，研究人员从南极来源的细菌菌株中鉴定出一种新型DMSP裂解酶DddX。不同于其它已报道的裂解酶，DddX属于酰基辅酶A合成酶超家族，这是合成酶超家族中首个报道的DMSP裂解酶。值得一提的是该论文被遴选为“eLife digest”特别报道。

图1 DMSP降解的代谢途径

不同的路径用不同的颜色显示。去甲基化途径（紫色）。氧化产生途径（黄色）。裂解途径（蓝色），本研究中新发现DddX转换DMSP丙烯酰辅酶A和DMS，ATP和辅酶A共同底物。虚线表示我们在本研究中提出的DddXDMSP裂解途径的未经证实的步骤。指出了参与每个途径的第一步的酶的蛋白质家族。DddX的蛋白家族及其催化产物用红色突出显示。

02 主要结论

1，新型DMSP裂解酶基因簇

以DMSP(5mM)作为唯一碳源，从5个南极样品中分离出具有DMSP分解代谢功能的175株细菌。其中Psychrobacter sp. D2是一海洋伽马变形杆菌，气相色谱分析表明其可分解DMSP产生DMS(图B)。对其基因组进行测序未发现已知的氨基酸序列同源性大于30%的裂解酶同源基因，这意味着该菌株可能有新的酶或分解代谢途径。然后，对菌株转录组进行测序，分析显示当DMSP作为唯一碳源时，有一个基因簇转录本高度上调（1696、1697、1698和1699），RT-qPCR分析进一步证实了这一点(图C)。对四个基因进行预测分析，命名1697基因为DddX，该基因可能编码了一种新的DMSP裂解酶。

图2 Psychrobacter sp. D2 对DMSP的利用和假定的DMSP-分解代谢相关基因簇

2，DddX在降解DMSP中的重要作用

为了探究为dddX在DMSP分解代谢中的可能作用，研究人员首先生成一个敲除大部分dddX基因的Psychrobacter sp. D2突变株——ΔdddX。在DMSP作为唯一的碳源的培养基上ΔdddX不能生长，但克隆dddX（pBBR1MCS-dddX) 利用DMSP的能力完全恢复到野生型水平。表明dddX是菌株利用DMSP的关键。

3，DddX裂解酶动力学分析

DddX是一种醋酸辅酶a连接酶，属于酰基辅酶a合成酶(ACD)超家族，需要辅酶a和ATP作为催化的共底物。HPLC分析发现ADP和一个未知的产物是DMS的副产物(图D)。液相色谱-质谱(LC-MS)分析发现，未知产物的分子量(MW)为822.1317，与丙烯酰辅酶a完全匹配(图E)。DddX通过两步反应催化DMSP裂解：(1)将DMSP与CoA连接形成DMSP-CoA反应中间体；(2)将DMSP-CoA裂解为DMS和丙烯酰辅酶A。

图3 dddX在DMSP代谢中的作用

4，DddX的晶体结构及催化机理

为了阐明DddX催化的结构基础，利用硒代蛋氨酸衍生物(se-衍生物)，采用单波长异常色散法求解了DddX与ATP配合物的晶体结构。每个DddX单体包含一个辅酶a结合域和一个ATP抓取域，其中插入一个辅酶a结合域的环(Gly280-Tyr300)。ATP主要通过亲水相互作用在DddX中结合，包括氢键和盐桥(图4b)。DddX的整体结构与形成ndp的乙酰辅酶a合成酶ACD1相似。

图4 DddX的结构和突变分析

5，DddX在细菌中的分布

DddX同源物存在于几种不同的细菌群中，包括阿尔法变形菌门、伽玛变形菌门和特别是革兰氏阳性厚壁菌门。多序列比对显示，存在参与磷酸化(H292)、底物协调(如W391)和催化(D432)的关键残基，表明这些DddX同源物可能在细菌DMSP分解代谢中发挥作用。P33.DddX在这些细菌谱系中的分布表明了水平基因转移(HGT)在dddX在环境细菌中传播中的作用。有趣的是，在从土壤或植物根系中分离出来的一些细菌分离物中发现了DddX，这表明DMSP也可能在这些生态系统中产生。因此，在微生物DMSP裂解酶中仍有更多的生物多样性有待发现。

图5DddX在细菌基因组中的分布

DMSP在自然界中广泛存在，DMSP的裂解产生DMS，这是全球硫循环中的一种重要介质。在本研究中，报道了从海洋细菌中鉴定出一种新的ATP依赖的DMSP裂解酶DddX。DddX属于ACD超家族，以辅酶A和ATP为共底物，催化DMSP转化为DMS和丙烯酰辅酶A。DddX同源基因在革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌谱系中都有发现。这项研究为不同的细菌如何催化DMSP产生气候上重要的气体DMS提供了新的见解。

参考文献：A novel ATP dependent dimethylsulfoniopropionate lyase in bacteria that releases dimethyl sulfide and acryloyl-CoA

DOI:https://doi.org/10.7554/eLife.64045