Verrucomicrobium spinosum必需基因组揭示PVC超门细胞分裂机制的进化分歧

本研究针对PVC超门细菌细胞分裂机制的关键科学问题，通过建立Verrucomicrobium spinosum遗传操作系统，结合转座子插入测序(TraDIS)和肽聚糖(PG)分析技术，首次系统鉴定了该模式菌株的必需基因组。研究发现dcw基因簇在V. spinosum中高度保守且多为必需基因，其肽聚糖具有典型囊状结构但存在非乙酰化修饰特征，为理解PVC超门从FtsZ依赖性二元分裂到非典型分裂方式的进化路径提供了关键证据。

　　

在微生物世界的隐秘角落，Planctomycetota-Chlamydiota-Verrucomicrobiota（PVC）超门细菌以其独特的生物学特性长期吸引着科学家们的目光。这个超门包含的细菌不仅栖息环境多样——从海洋生态系统到动物肠道，还具有令人费解的细胞分裂方式：有些成员完全颠覆了传统细菌的二元分裂模式，甚至缺失关键的FtsZ蛋白和肽聚糖合成基因。更令人困惑的是，作为超门命名来源之一的Verrucomicrobiota门却长期缺乏系统研究，使得学界对PVC超门祖先的细胞分裂机制演化历程充满争议。

针对这一科学难题，来自西班牙塞维利亚巴勃罗·德·奥拉维德大学（Pablo de Olavide University）的Valentina Henriques和Elena Rivas-Marin团队选择Verrucomicrobium spinosum DSM 4136作为模式生物展开研究。这种具有相对快速生长特性的细菌，是Verrucomicrobiia纲的代表物种。研究人员通过优化培养条件，首次建立了该菌的基因操作系统，并采用转座子定向插入测序技术全面解析了其必需基因组，相关成果发表在《iScience》期刊。

研究团队主要运用了以下关键技术：转座子插入测序(TraDIS)构建饱和突变文库并进行全基因组必需性分析；开发针对Verrucomicrobiota的首个靶向基因编辑系统；荧光标记D-氨基酸(HADA)示踪肽聚糖合成动态；质谱分析肽聚糖组分；以及电子显微镜观察细胞超微结构。这些方法为全面解析V. spinosum的细胞分裂机制提供了多维度证据。

必需基因组的解密

通过构建包含约125万个突变体的饱和mini-Tn5转座子文库，研究人员鉴定出V. spinosum 6,244个基因中有644个(10%)为必需基因。与大肠杆菌K12相比，75%的核心必需基因保守性表明其具备典型细菌的基本生命程序。值得注意的是，与同属PVC超门的Planctomycetota成员P. limnophila相比，V. spinosum在细胞分裂和肽聚糖合成相关基因上表现出显著差异——这些在P. limnophila中多为非必需的基因，在V. spinosum中却高度保守且必需。

dcw基因簇的保守与变异

聚焦细胞分裂和细胞壁合成(dcw)基因簇的分析揭示：murABCDEFGJ、ftsABIQWZ、mreBC、mraY等绝大多数dcw基因在V. spinosum中均为必需基因。特别引人注目的是ftsZ基因，虽然其编码的蛋白含有独特的C端延伸区域，但该基因完全必需且插入耐受性极低。与之形成鲜明对比的是，在缺失ftsZ的P. limnophila中，这些dcw基因大多非必需。通过靶向敲除验证，仅mraW（编码16S rRNA甲基转移酶）被确认为非必需基因。

肽聚糖的独特特征

通过HADA荧光标记观察到V. spinosum的肽聚糖合成主要发生在分裂隔膜处，电镜清晰地展示了其典型的囊状肽聚糖结构。质谱分析发现其肽聚糖含有非乙酰化葡萄糖胺(GlcNH₂)修饰，这与人类肠道共生菌Akkermansia muciniphila的特征相似，可能是Verrucomicrobiota门的共同特征。值得注意的是，尽管存在这种特殊修饰，V. spinosum仍保留了完整的肽聚糖合成途径和典型的FtsZ依赖性分裂机制。

PVC超门的进化启示

通过比较基因组学分析PVC超门各成员的dcw基因分布模式，研究提出了进化新见解：Verrucomicrobiota、Ca. Omnitrophota等保留了完整dcw基因簇的类群，可能代表了PVC超门最后共同祖先(LPCA)的原始特征——一种具有典型FtsZ依赖性分裂方式和完整肽聚糖合成能力的Gracilicutes样细菌。而Chlamydiota和Planctomycetota则通过基因丢失和功能替代，演化出了多样化的非典型分裂机制。

这项研究不仅确立了V. spinosum作为Verrucomicrobiota研究的模式生物地位，其开发的遗传操作系统更为后续功能研究铺平了道路。从更广阔的进化视角看，该工作为理解细菌细胞分裂机制的多样性起源提供了关键证据，架起了从典型二元分裂到多种非典型分裂方式之间的进化桥梁。特别值得注意的是，非乙酰化肽聚糖的发现为研究细菌与宿主免疫系统的互作提供了新线索，对理解共生菌群适应机制具有潜在启示意义。