基因组+代谢组揭示γ变形菌Shewanella algae中的应用
γ变形杆菌Shewanella属下包含70多种兼性厌氧菌，于水生生态系统中生存。它们分布广泛，适应力强，是全球生物地球化学循环中的重要参与者。但它们中的S.algea也有对高等真核生物的致病潜力，历史上曾导致养殖鲍鱼的大规模死亡和养殖鱼类的溃疡病。在S.algea中，第二信使环磷酸二鸟苷（c-di-GMP）在调节该菌生活方式上起至关重要的作用。
为了进一步了解Shewanella algae，研究团队进行了全基因组序列（WGS）组装比较和泛基因组分析、cyclic di-GMP代谢蛋白的生物信息学分析，以及化学感应系统的识别和分析，确立了S. algae中的c-di-GMP和化学感应信号转导途径。相关研究成果发表在American society for microbiology上。
01
Pangenome分析揭示了
基因组特征和丰富的遗传多样性
研究团队在核苷酸组成水平上评估了42种S. algae分离株的WGS多样性，计算了每个分离株与它们WGS组件的MinHash草图配对之间的基因组距离，以Jaccard相似性指数（JSI）衡量，显示了这组测序分离株中的系统基因组多样性（图1）。
图1 基于WGS的距离和MinHash的分类比较
接下来，为了估计42个S. algae菌株的总基因库并评估它们的核心和辅助基因库，作者进行了泛基因组分析（图2）。泛基因组基本上是开放的，总共达到10,122个，S. algae菌株的基因组之间存在显着的遗传多样性。总体而言，泛基因组分析说明了这42个分离株之间独特的基因组特征和丰富的遗传多样性。
图2 S. algae菌株的泛基因组分析
02
S. algae的c-di-GMP蛋白质组
在菌株中大多是保守的
为了探索42种S. algae中c-di-GMP代谢蛋白的多样性，作者以S. algae CECT 5071作为模式菌株和参考模型，彻底剖析了它的c-di-GMP周转蛋白质组并重建了S. algae CECT 5071的GGDEF结构域（图3）、EAL结构域（图4）和HD-GYP结构域（图5）的系统发育。
图3 S. algae CECT 5071的全长GGDEF结构域的系统发育树和相应蛋白质的结构
图4 S. algae CECT 5071的EAL结构域的系统发育树和相应蛋白质的结构
图5 S. algae CECT 5071的HD-GYP结构域的系统发育树和相应蛋白质的结构
随后，作者从基因组中检索了所有假定的c-di-GMP代谢蛋白，确定了数量范围和相对c-di-GMP周转蛋白密度（图6A），并确定了保守、非保守和远缘相关的c-di-GMP转换直系同源物的分布（图6B）。并参考S.algae CECT 5071蛋白，展示了其他41个S.algae菌株中鉴定的GGDEF、EAL和HD-GYP结构域的系统发育位置（图7A-C）。这些结果表明，S. algae的c-di-GMP蛋白质组在很大程度上是保守的，但在菌株之间表现出一定程度的变异性，在某些分离物中水平下c-di-GMP周转基因是可获得的。
图6 相对c-di-GMP周转蛋白密度（A）同源物的分布（B）
图7 c-di-GMP转换蛋白的GGDEF、EAL和HD-GYP结构域的系统发育
03
S. algae c-di-GMP蛋白质组
编码新N端传感器域和CSS域变体
S. algae的c-di-GMP周转蛋白中很大一部分具有可以代表新传感器结构域的未表征的N末端序列。作者通过各种生物体中发现的相应蛋白质构建了这些同源结构域的比对，预测了它们的结构组织和跨膜拓扑结构，鉴定了保守残基。共有五个新的膜嵌入结构域、一个N端细胞质卷曲螺旋结构域和先前表征的CSS基序结构域的不同变体被展示。在后续的鉴定与分析中，作者在c-di-GMP转换蛋白的初步表征过程中揭示了许多新的整合膜、周质和细胞质N末端信号结构域，但它们感官特异性和/或蛋白质间的相互作用能力仍有待确定。
04
S. algae的化学感觉通路
在菌株间是保守的
S. algae CECT 5071编码29种化学感受器，这些化学感受器可能会刺激42种菌株中保守的两种化学感应途径。作者也确定了S. algae化学感受器的域结构和保守性（图8）。
图8 S. algae的化学感受器
作者对42个S. algae分离株的系统基因组和泛基因组分析了它们出特有的种群结构并在参考菌株中发现了63个c-di-GMP转换蛋白和29个化学感受器，c-di-GMP蛋白质组在很大程度上是保守的，但在菌株之间表现出一定程度的变异性。最后，作者对S. algae化学感应通路的分析揭示了两条保守通路的存在。总而言之，研究团队综合了基因组、代谢、化学信号通路的研究技术，构建了S. algae c-di-GMP和化学感应系统的综合图谱，将S. algae确立为分析信号通路的模型生物，为它们未来遗传和功能研究提供参考。
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参考文献：
Martín-Rodríguez A J, Higdon S M, Thorell K, et al. Comparative Genomics of Cyclic di-GMP Metabolism and Chemosensory Pathways in Shewanella algae Strains: Novel Bacterial Sensory Domains and Functional Insights into Lifestyle Regulation[J]. Msystems, 2022: e01518-21.
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