亚抑制浓度亚硒酸盐对产甲烷古菌Methanococcus maripaludis JJ生长及基因表达的调控机制研究

本研究针对古菌对亚硒酸盐的耐受机制这一科学问题，通过分析10-100 μM亚硒酸盐对产甲烷古菌Methanococcus maripaludis JJ的转录组影响，发现其在不影响生长的情况下优先上调含硒代半胱氨酸(Sec)的产甲烷酶基因，同时下调多种转运蛋白基因。研究揭示了古菌通过精细调控硒代谢相关基因维持稳态的独特机制，为理解极端环境微生物的适应性提供了新视角。

　　

硒是生命体必需的微量元素，但在高浓度时具有毒性。产甲烷古菌Methanococcus maripaludis JJ作为典型的严格厌氧菌，其能量代谢高度依赖含硒代半胱氨酸(Sec)的酶系统。虽然低浓度硒(<1 μM)下的基因调控已有研究，但亚抑制浓度(10-100 μM)亚硒酸盐对古菌的影响机制仍不清楚。这项发表在《Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry》的研究，首次系统揭示了该古菌在亚抑制浓度亚硒酸盐下的转录响应特征。

研究采用RNA-seq和RT-qPCR技术，分析比较了0 μM与10 μM亚硒酸盐培养条件下的全基因组表达谱。通过测定不同浓度(0-100 μM)下的生长曲线，结合差异表达基因(DEGs)的功能富集分析，重点考察了产甲烷途径、硒代谢相关基因及转运系统的表达变化。

Effects of selenite on growth

生长实验显示100 μM亚硒酸盐仅缩短延滞期，对倍增时间(1.50-1.60 h)和最大OD₆₆₀值(0.216-0.239)无显著影响，表明该浓度未产生生长抑制。

Overview of differentially expressed genes

RNA-seq鉴定出71个差异基因(19上调/52下调)，COG分类显示能量转换(C类)和无机离子转运(P类)基因占比最高(14-15%)。与细菌不同，未检测到氧化应激相关基因的激活，提示古菌可能通过非转录机制维持氧化还原稳态。

Transcriptional responses of methanogenesis genes

Sec型产甲烷酶基因(fwdB、fruA等)显著上调2-5倍，而Cys型同工酶基因(fwdcB、frcA等)下调2-11倍。值得注意的是，非硒蛋白氧化还原酶基因(mtd、hmd、mer)表达降低3-11倍，这种"此消彼长"的调控模式可能通过Sec的高反应活性补偿代谢通量损失。

Effects on selenium-containing biomolecules

硒蛋白合成通路基因(selD、selB等)表达稳定，仅seryl-tRNA合成酶基因(serS)呈现1.7-2.7倍上调。2-硒尿苷合成酶基因(selU_R/selU_P)上调3-5倍，表明硒在核酸修饰中也存在"硫替代"偏好。

Transport systems affected

多种转运蛋白基因显著下调：磷酸盐转运体pst1S(2.3-3.1倍)、钼酸盐转运体mod1A(2.6倍)、硫载体蛋白tusA/dsrE(2.2-4.2倍)等，这种"全局性抑制"可能限制非特异性硒吸收。

研究结论指出，M. maripaludis JJ通过三个层面的协调应对亚硒酸盐：(1)优先利用Sec型高活性酶；(2)维持硒代谢核心元件组成型表达；(3)下调潜在硒吸收通道。这种多层次的调控策略使其在10-100 μM宽浓度范围内维持稳态，为理解古菌的环境适应性提供了范式。该发现对开发基于硒调控的产甲烷工艺具有潜在应用价值。