土壤细菌Cupriavidus sp. LA-1降解天然蝶呤和lumazine色素的分子机制解析

本研究揭示了土壤细菌Cupriavidus sp. LA-1通过钼依赖的lumazine脱氢酶(LuDH)、异构酶(DHLI)和依赖prenylated FMN的脱羧酶(XCDC)协同作用，首次阐明天然蝶呤(pterin)和lumazine类化合物的微生物降解途径。该发现填补了生物地球化学循环中异环化合物代谢机制空白，为昆虫色素环境动态研究提供新视角。

　　

自然界中蝶啶类化合物作为核酸、维生素和色素的重要组成部分，其环境归趋机制长期未明。自1960年代发现土壤细菌可降解蝶呤化合物以来，相关酶学机制始终成谜。蝴蝶翅膀中鲜艳的黄色素（如6-羟基蝶呤）和白色素（如7-羟基蝶呤）在昆虫死亡后如何被微生物分解？这一科学问题困扰学界数十年。发表于《Communications Biology》的研究首次揭开了这一谜团。

研究团队通过宏基因组分析锁定优势菌群Cupriavidus sp. LA-1，结合转录组学发现染色体cluster I基因簇响应lumazine诱导。关键实验技术包括：16S rRNA扩增子测序追踪土壤微生物群落动态；RNA-seq解析lumazine诱导的基因表达谱；HPLC-MS联用鉴定代谢中间产物；重组蛋白表达系统（含GroEL/ES伴侣蛋白）获得活性酶复合体；稳态动力学分析酶学特性。

Lumazine降解途径的解析

通过活性染色和蛋白质组学鉴定出三组分lumazine脱氢酶(LuDH)，其含钼辅因子(MPT)的大亚基(LA1_0145)与典型黄嘌呤氧化还原酶(XOR)家族成员迥异。LuDH以NAD⁺为电子受体，将lumazine逐步氧化为7-羟基lumazine(7-HL)和6,7-二羟基lumazine(6,7-DHL)，Km值低至28±3 μM，显示高效底物亲和力。

异构化与脱羧反应机制

6,7-DHL经Zn²⁺依赖的异构酶(DHLI)转化为黄嘌呤-8-羧酸酯(XC)，该酶为新型a₂/β₂异源四聚体，β亚基(LA1_0151)含保守组氨酸锌指结构。XCDC(LA1_0150)在预酰化FMN(prFMN)和Mn²⁺协助下完成脱羧，生成黄嘌呤进入常规代谢途径。

蝶呤化合物的跨界降解

Cluster I编码的蝶呤脱氨酶(PDA)将7-羟基蝶呤(7-HP)转化为7-HL，使LA-1能降解菜粉蝶翅膀（含7-HP 82.5 nmol/mg）和臭虫表皮中的蝶呤色素。宏基因组分析显示，该基因簇在变形菌门(Proteobacteria)中广泛存在，但不同菌株中XOR类型（如IOR型）和PDA（胞嘧啶脱氨酶类似物）存在进化分化。

这项研究首次完整解析了蝶呤/lumazine化合物的微生物降解网络，其科学意义在于：发现新型钼酶LuDH拓展了XOR家族功能多样性；阐明DHLI独特的Zn²⁺依赖异构机制；证实该途径在土壤微生物介导的昆虫色素循环中起关键作用。研究为理解异环化合物环境归趋提供了分子模板，未来可通过改造菌群应用于农业废弃物处理等领域。