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脂质生物标志物:阐明微生物生命历史的分子工具

已有 1025 次阅读 2023-9-5 17:30 |个人分类:文献翻译|系统分类:科研笔记

文献来源: Summons, R.E., Welander, P.V. & Gold, D.A. Lipid biomarkers: molecular tools for illuminating the history of microbial life. Nat Rev Microbiol 20, 174–185 (2022). 

摘要:保存在沉积岩中的化石脂类(fossilized lipids)为了解地球的古生物学提供了独特的见解。这些生物标志物可提供的信息包括:大气与海洋的氧化作用,海洋浮游生物的转变,大陆的绿化、生物大灭绝和气候变化等。过去,对生物标志物的解译主要靠现存(extant)微生物和自然环境中的脂类及其counterparts。然而,由于地球中只有极小部分微生物可以被培养,地质历史过去许多具有重要环境意义的微生物已不复存在,并且在脂质生物合成方面(lipid biosynthesis)存在知识空白,因此脂类研究进展受阻。基因组学和生物信息学的革命为研究脂质生标、脂质生物合成途径与其在自然界的分布提供了新的方法。本综述探讨了保存良好的有机分子是如何为地球微生物生命变化提供独特视角。文中讨论了分子生物学如何有效帮助阐释生标起源,并为化石脂类提供更有效的信息,以及岩石记录(rock record)如何为分子钟提供重要的校准点calibration points)。随着可访问数据库中已测序的微生物基因组的扩展,这些研究将进一步开放。

文中图表:

Box 1:鉴定现存生物中的脂质生物标志物合成生物基因及蛋白质。

 利用比较基因组学鉴定现存生物中的脂质生标生物合成基因,是缩小脂质生标生源范围最有效的方法之一。这种方法需要(entail)识别一种或多种产生相关生物标志物的生物和一组不产相关生物标志物的生物。比较分析这两组生物(脂质产生者与非脂质产生者)的基因组,得到一组候选基因,作为进一步研究的目标。这两组基因数据可能易处理(例如,只有20组基因),也可能很大难以处理(如有2000组基因)。如果基因集相当大,那么,可以通过利用合成相关脂质所需的潜在化学知识进行第二组比较。例如,早期标记蛋氨酸(labelled methionine的实验表明,2-甲基藿烷类化合物的合成涉及S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine-ASM)活性,这是许多生化反应中常见的辅助因子143。那么,潜在的C2hopanoid甲基化的候选基因列表可以进一步筛选,重点关注预测具有S-腺苷甲硫氨酸结合基序的蛋白质。基本局部比对搜索工具(BlaST)144hMMer145结合Pfam数据库146等工具可以帮助确定候选基因集中是否存在预测的结合位点。然后可以通过实验确定候选基因是否通过遗传或生化实验方法(biochemical experimental approaches)编码脂质生物合成蛋白。遗传方法需要破坏(disruption)候选基因,一是通过抗生素标记代替基因位点(基因破坏);或者彻底删除基因位点(无标记基因缺失markless gene deletion)。生化方法需要相关基因在模拟实验室系统的表达,如大肠杆菌或酵母菌,然后用无细胞提取物或提纯蛋白质进行生化分析(biochemical assays),以证明候选蛋白催化产生相关脂质生物合成反应。

特定的脂质生物合成基因识别为进一步研究脂质生物标志化合物开辟了新途径。生物合成基因鉴定允许通过培养生物和直接在不同的现代生态系统中进行体内转录组分析来监测基因表达。这些研究,加上对这些脂质生物合成基因编码的酶的生化表征,将有助于深入了解特定环境因素如何影响脂质产生。除了脂质生物合成本酶直接表征(directly characterization)以外,也可能产生不再能生产相关脂质的基因缺失突变体(gene deletion mutants)。对这些突变体的生理学研究,为脂质生标合成提供了必要性条件,进一步揭示这些脂质在不同细胞中的功能作用(functional role)。下图展示了如何通过比较基因组学、基因缺失分析和异源表达,在产生生物标志物的微生物中识别生物合成蛋白,在这种情况下,与2 -甲基细菌藿烷多元醇形成相关的生物合成蛋白。

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本文中重要的参考文献

1Allwood, A. C., Walter, M. R., Kamber, B. S., Marshall, C. P. & Burch, I. W. Stromatolite reef from the Early Archaean era of Australia. Nature 441,714–718 (2006).

澳大利亚早期太古代的叠层石礁:该论文介绍了古老的叠层石形态与其沿海海洋环境之间的关系。对于阐明“至少34.5亿年前,地球上微生物群落就极其复杂”尤为关键。

2Zuckerkandl, E. & Pauling, L. Molecules as documents of evolutionary history. J. Theor. Biol. 8, 357–366 (1965).

分子是记录演化历史的文件:这篇经典文献记录了当今大分子序列(macromolecules)是如何编码它们的起源和进化的。

3Brassell, S. C., Eglinton, G., Marlowe, I. T., Pflaumann, U. & Sarnthein, M. Molecular stratigraphy: a new tool for climatic assessment. Nature 320, 129–133 (1986).

  分子地层学—气候评估的新工具:该论文首次详细介绍了有机分子化石作为温度指标SST proxies)。

4Ourisson, G., Albrecht, P. & Rohmer, M. The hopanoids. Palaeochemistry and biochemistry of a group of natural products. Pure Appl. Chem. 51, 709–729 (1979).

  藿烷—一类天然产物的古化学与生物化学:该综述详细介绍了一组特殊的细菌膜脂如何产生一种普遍存在且丰富的化学化石

5Volkman, J. K. et al. Microalgal biomarkers: a review of recent research developments. Org. Geochem. 29,1163–1179 (1998).

  微藻生物标志化合物研究进展综述:该论文综述了研究生物体中的生标化合物的复杂性及重要性。现代藻类生标的分布为分子化石的历史解释提供了坚实的基础。

6Newman, D. K., Neubauer, C., Ricci, J. N., Wu, C.-H. & Pearson, A. Cellular and molecular biological approaches to interpreting ancient biomarkers. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 44, 493–522 (2016).

  细胞学和生物学方法解释古代生物标志化合物:该论文详细介绍了我们对细菌中的2-甲基藿烷的不断变化的认识,以及这些不断变化的认识如何影响我们对相关分子化石的解读。该论文以案例形式表明了解生物标志物在微生物中的生物学作用的重要性,而不仅仅是它存在与否。

7Pearson, A., Flood Page, S. R., Jorgenson, T. L., Fischer, W. W. & Higgins, M. B. Novel hopanoid cyclases from the environment. Environ. Microbiol. 9, 2175–2188 (2007).

环境中的新型藿烷酶:该文首次利用生物标志物生物合成基因的例子,角鲨烯-藿烯环化酶基因是藿烷产生所必需的(that means藿烷的产生与角鲨烯-藿烯环化酶有关),以证明环境宏基因组数据集中生物标志物生产者的潜在多样性

8Brocks, J. J. et al. The rise of algae in Cryogenian oceans and the emergence of animals. Nature 548, 578 (2017).

  成冰纪(新元古代成冰纪)海洋中藻类的崛起和动物的出现:本论文重点展示了脂质结构的特定化学修饰how specific chemical modification),本案例中,甾醇分子的甲基化蕴含重要信息,可以用于示踪地质记录中特定微生物群出现的标志物。

9Hoshino, Y. & Gaucher, E. A. Evolution of bacterial steroid biosynthesis and its impact on eukaryogenesis. Proc. Natl Acad. Sci. USA 118, e2101276118 (2021).

细菌类甾醇(steroid)生物合成的演化及其对真核生物的影响:该文采用种系发生学phylogenetic approach)评估甾醇生物合成演化史和细菌甾醇生物合成对真核生物崛起的潜在影响。

10Woese, C. R. & Fox, G. E. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proc. Natl Acad. Sci. USA 74, 5088–5090 (1977)

核生物领域的系统发育结构:初级王国:该经典文献展示了核糖核酸RNA序列揭示所有生命都遵循来自共同祖先的三种血统之一

11Schouten, S., Hopmans, E. C., Schefuß, E. & Sinninghe Damsté, J. S. Distributional variations in marine crenarchaeotal membrane lipids: a new tool for reconstructing ancient sea water temperatures? Earth Planet. Sci. Lett. 204, 265–274 (2002).

海洋泉古菌膜脂差异分布—重建古海洋水温的新指标:该文基于海洋沉积物中古菌GDGT膜脂的分布,为TEX86 古温度作为海洋表层温度(SST代用指标奠定了基础。




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