细菌降解孕酮的关键驱动因子解析：从基因簇到生物化学途径

这篇研究首次揭示了细菌降解孕酮（PROG）的关键步骤，通过转录组学和基因功能分析鉴定了孕酮降解基因簇（pdc），包含Baeyer-Villiger单加氧酶（BVMO）和荧光素酶样单加氧酶（LLM）。研究发现这两种酶功能冗余但底物偏好不同，催化PROG转化为睾酮乙酸酯（TES-Ac），并解析了其通过9,10-开环途径（9,10-seco pathway）的降解机制，为环境激素污染治理和药物合成提供了新靶点。

　　

细菌降解孕酮的关键驱动因子解析

ABSTRACT
孕酮（PROG）是土壤和水体中普遍存在的性激素污染物，但其完全有氧矿化途径尚未明确。本研究以类固醇降解菌Caenibius tardaugens为模型，首次揭示了细菌孕酮降解的关键步骤。转录组分析发现pdc基因簇（含BVMO EGO55_13845和LLM EGO55_13860）在PROG条件下显著上调。基因敲除和回补实验证实二者共同催化PROG的Baeyer-Villiger单加氧反应，生成睾酮乙酸酯（TES-Ac），并发现其对中间体1,2-脱氢孕酮（1,2-dPROG）的差异化活性，阐明了细菌通过冗余酶系统实现PROG高效降解的分子基础。

INTRODUCTION
孕酮作为内源性21碳类固醇激素，通过医药和畜牧业大量进入环境，其内分泌干扰效应已在水生生物中广泛报道。尽管部分细菌能降解PROG，但其基因和酶学机制长期未知。前期研究表明真菌可通过BVMOs将PROG转化为强效雄激素，但细菌中相关途径尚未解析。本研究选择能降解多种类固醇的C. tardaugens，系统探究其PROG代谢网络。

RESULTS

C. tardaugens的广谱类固醇代谢能力
该菌可利用C₁₈
-C₂₁
类固醇（如E2、TES、PROG等）作为唯一碳源，其基因组中已鉴定的睾酮（SD簇）和雌激素（edc簇）降解途径与pdc簇相距12.8-51.4 kb，提示PROG降解可能存在独立调控模块。

转录组揭示pdc基因簇
PROG vs TES条件下，EGO55_13845（BVMO）和EGO55_13860（LLM）表达量分别上调139倍和32倍。该簇还包含TetR/LuxR型调控基因，其中LuxR同源物可能类似Comamonas testosteroni的TesR激活剂。

酶功能验证
双敲除株ΔLLM-BVMO完全丧失PROG降解能力，而单敲除株ΔLLM积累1,2-dPROG（质谱鉴定[M+H]⁺
=313）。异源表达实验显示：

• BVMO对PROG和孕烯醇酮（PREG）活性最高（70.4/68.5 U/mg），对21-OHPROG活性骤降（8.7 U/mg）
• LLM对1,2-dPROG活性提升（14.7 U/mg），催化生成BOL-Ac
  GC-MS证实二者均能将PROG→TES-Ac，且存在底物偏好差异

代谢通路重构
PROG通过两条并行路径降解：

1. 直接由BVMO/LLM催化C17-C20氧插入生成TES-Ac
2. 经KstD脱氢为1,2-dPROG后转化为BOL-Ac
   最终产物通过未知酯酶水解进入TES降解途径，经9α-羟化酶（KshAB）开环矿化。

DISCUSSION
本研究首次在细菌中阐明PROG降解的遗传和生化基础：

• pdc簇在Novosphingobium等降解菌中保守存在，但N. aromaticivorans中BVMO与LLM基因相距123 kb，暗示进化分异
• 与真菌BVMO不同，细菌酶优先催化酯化而非内酯化反应
• LLM需要 flavin reductase 协助，但其基因组定位不保守
  该发现为环境PROG污染治理和类固醇药物生物合成提供了新工具酶。

MATERIALS AND METHODS
研究采用RNA-seq（Illumina平台）、基因敲除（pK18msg载体）、酶活检测（NADPH氧化法/HPLC-MS）等技术，详细实验条件参见原文方法部分。