香港科技大学|深海管虫的基因组秘密

【字体: 时间:2021年07月29日 来源:生物通

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  研究人员破译了一种深海无肠管虫的染色体级基因组及其共同生活的“伙伴”的基因组——一种首次发现能向这种蠕虫提供无机化合物产生的营养物质的细菌,解释了这对管虫如何适应极端的生境。他们的发现奠定了潜在的应用,如营养产生,生物材料生产和微生物生长控制的基础。

  

海底管蠕虫生活在深海热液喷口和冷泉生态系统中,其特点是黑暗、高压和有毒物质的浓度往往很高,这种极端环境中常见的生物,众所周知,它们的生存和快速生长归功于生活在体内的共生硫化物氧化细菌。在没有消化系统的情况下,管虫依靠硫化物氧化的内共生细菌,这些细菌藏匿在一个称为滋养体的特殊内部器官中,并依靠一个独特的氧气、硫化物和二氧化碳输送系统来促进共生。然而,由于缺乏基因组资源,这种管蠕虫和它们共同生活的细菌之间互补的“联姻”背后的成功仍然是未知的。

现在,由香港科技大学海洋科学系主任教授钱培元教授和邱建文教授组成的联合研究小组,香港巴蒂斯特大学生物系教授——在南海的一个寒冷的深渊中收集并收集了大约1400米以下的深海管虫和共生细菌的基因组序列。

通过整合基因组学、转录组学和蛋白质组学分析,研究小组发现,这种细菌在能源利用方面用途广泛,能够利用硫代硫酸盐、一氧化碳和氢气作为替代能源。它拥有完整的营养物质生成代谢途径,并提供包括碳水化合物、氨基酸和维生素/辅助因子在内的营养物质。此外,管虫内共生体已经进化出复杂的策略来分散宿主的保护性免疫和逃避它的防御。同时,宿主的基因组也被改造以促进共生。它不仅编码酶来消化共生体中的营养物质,而且还编码一个程序化的细胞死亡途径,将内共生体的数量控制到对蠕虫自身最有利的水平。

此外,研究小组还发现了与硫化氢和氧转运、先天免疫调节、溶酶体消化和内肽酶活性相关的基因的快速分化,从而提供了促进管虫适应性辐射的遗传多样性。

为了了解管的形成机制,研究小组进一步分析了管虫坚韧的几丁质管中的蛋白质。”我们发现了35种几丁质管基质蛋白质,包括制造几丁质微纤丝并将其分泌到细胞外基质的合成酶、切割几丁质并为有机基质提供聚合物框架的几丁质结合蛋白质,以及增强韧性和重塑几丁质支架的蛋白质,”邱教授说。

“这项研究不仅增进了我们对全生物在极端深海化学合成环境下形成的适应机制的了解,而且也有助于对包括蠕虫、软体动物和其他海洋无脊椎动物在内的更大类群——冠轮动物门Lophotrochozoa的多样性和进化进行比较研究。尽管其多样性,Lophotrochozoa在基因组研究中的代表性不足,”钱教授补充说。

这项工作还为潜在的应用开辟了新的方向,包括利用生物合成中的独特酶生产生物材料,开发修复营养缺乏的技术,设计基于微生物与动物相互作用的微生物生长控制策略。


Yanan Sun, Jin Sun, Yi Yang, Yi Lan, Jack Chi-Ho Ip, Wai Chuen Wong, Yick Hang Kwan, Yanjie Zhang, Zhuang Han, Jian-Wen Qiu, Pei-Yuan Qian. Genomic signatures supporting the symbiosis and formation of chitinous tube in the deep-sea tubeworm Paraescarpia echinospica. Molecular Biology and Evolution, 2021; DOI: 10.1093/molbev/msab203

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