基于转录组与全基因组测序探究约氏不动杆菌ABC转运蛋白基因在冷适应机制中的作用

本研究针对鱼源性腐败菌约氏不动杆菌（Acinetobacter johnsonii）在低温环境下通过ABC转运蛋白介导的冷适应机制展开深入探索。研究人员通过全基因组测序鉴定出30个ABC转运蛋白基因，结合转录组与qRT-PCR技术揭示了低温（4°C vs 30°C）条件下关键基因（如 hisP、mlaF）的差异表达及其在膜稳定性、能量代谢和跨膜转运中的调控作用，为理解细菌低温适应机制提供了新的分子基础，对食品保鲜和低温微生物调控具有重要理论价值。

　　

在水产品冷链储运过程中，微生物污染导致的腐败问题一直是食品工业面临的重大挑战。约氏不动杆菌（Acinetobacter johnsonii）作为一种常见的鱼源性腐败菌，不仅能在低温环境中存活，还可通过诱导脂质氧化和蛋白质降解加速食品变质。更值得注意的是，该菌还具有多重耐药性，对食品安全和公共卫生构成潜在威胁。因此，探究其低温适应机制，尤其是膜蛋白和转运系统在冷胁迫下的响应，具有重要的科学意义与应用价值。

ABC转运蛋白（ATP-Binding Cassette transporters）是一类广泛存在于原核和真核生物中的跨膜蛋白，利用ATP水解产生的能量实现物质跨膜转运，包括营养物质摄取、代谢物外排以及抗生素和毒素的转运等。尽管ABC转运蛋白在多种细菌（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等）中的功能已有较多研究，但它们在约氏不动杆菌低温适应中的具体作用仍不明确。

为此，研究人员从腐败的大眼金枪鱼中分离出一株低温适应菌株A. johnsonii XY27，并综合运用全基因组测序、转录组分析、生物信息学工具和分子实验等手段，系统研究了该菌中ABC转运蛋白的基因特征、表达模式及其在冷适应中的功能。该研究发表于《Journal of Future Foods》，为理解细菌低温响应机制提供了新的视角。

在研究过程中，作者主要采用了以下几种关键技术方法：首先通过全基因组测序（NCBI登录号CP070866）和BLAST同源比对，从A. johnsonii XY27中鉴定出30个ABC转运蛋白基因；利用Pfam、SMART、ExPASy等数据库分析其保守域和理化性质；通过转录组测序（Illumina Novaseq 6000平台）比较4°C与30°C条件下的基因表达差异；借助qRT-PCR对冷响应关键基因（如 hisP、urtE、lolD、mlaF、macB、lptB）进行表达验证；使用SWISS-MODEL、PSIPRED、TMHMM等工具预测蛋白高级结构与跨膜区域；运用GO、KEGG和STRING数据库进行功能富集和蛋白互作分析。所有生物信息学分析均在Majorbio云平台完成。

3.1. ABC转运蛋白的理化性质鉴定

通过全基因组分析，共鉴定出30个ABC转运蛋白基因，其编码的蛋白在氨基酸长度（227–943 aa）、分子量（25.2–104.4 kDa）和等电点（pI 5.00–8.67）等方面表现出较大差异。亚细胞定位预测显示，多数蛋白定位于细胞器膜（19个），其次为内膜（7个）和质膜（3个），这一分布特征与大肠杆菌中的同源蛋白类似，暗示其在膜活性调控中起关键作用。

3.2. ABC转运蛋白高级结构预测

二级结构分析表明，这些蛋白以α-螺旋为主（31.92–61.83%），随机卷曲和延伸链次之，β-转角较少。通过同源建模发现，5WS4.1.A模板与目标蛋白相似度最高（91.25%），其GMQE值为0.89，QMEAN值为-0.79，被选为后续分子对接的最佳模型。

3.3. 系统发育、保守基序与基因结构分析

系统进化树将30个ABC转运蛋白分为三类，分别对应细胞器膜、内膜和质膜定位，其中细胞器膜亚家族成员最多（20个）。保守基序分析显示所有蛋白均包含ABC_tran（NBD保守域）和ABC_tran_CTD、ABC_membrane等TMD相关结构域。

3.4. 基因本体（GO）与表达谱分析

GO分析表明这些基因显著富集于跨膜转运（GO:0055085）、氮化合物运输（GO:0071705）、ATP结合（GO:0005524）等过程。转录组结果显示，在4°C vs 30°C比较组中，共有61个ABC转运相关基因发生差异表达，其中22个下调、39个上调。KEGG注释进一步提示这些基因主要参与能量代谢和膜转运通路。

3.5. 蛋白互作（PPI）分析

STRING数据库构建的PPI网络包含13个节点和17条边，核心蛋白如MetN、VcaM、GsiA、ZnuC和LptB等均属于ATP结合蛋白，通过消耗ATP实现跨膜转运，在低温适应中可能起协同调控作用。

3.6. 蛋白结构与功能关联

跨膜区域预测显示JW980_02675和JW980_07600等基因编码的蛋白具有明显跨膜结构。三级结构建模进一步验证了ABC转运蛋白在空间构象上的保守性与多样性。

3.7. 转录水平ABC转运蛋白的作用

低温条件下，与膜稳定性、脂质转运和能量代谢相关的基因表达发生显著改变。例如，硫化合物转运活性、ATP酶偶联转运等GO条目显著富集，表明冷胁迫影响了膜结构与功能。

3.8. qRT-PCR验证ABC转运基因表达

通过qRT-PCR对 hisP、urtE、lolD、mlaF、macB、lptB 等基因进行验证，发现它们在4°C条件下表达均显著上调（p<0.01–0.05）。其中 hisP 和 mlaF 分别参与氨基酸转运和磷脂稳态调控，在维持膜完整性和冷适应中发挥关键作用。

研究结论与讨论部分指出，A. johnsonii XY27通过调控ABC转运蛋白的表达应对低温胁迫。这些蛋白在跨膜物质运输、能量代谢和膜稳定性维持中起到核心作用。其中，hisP 和 mlaF 的显著下调表达提示它们可能在冷适应中负调控膜通透性与脂质代谢，以避免过度能量消耗。此外，冷胁迫下多个ABC转运基因的上调表达也反映了细菌在低温环境中对营养物质摄取和代谢物外排的适应性调整。

该研究不仅首次系统揭示了约氏不动杆菌中ABC转运蛋白的多样性与功能特性，还为理解革兰氏阴性菌的低温适应机制提供了分子依据。在应用层面，这些发现可为水产品保鲜技术开发、抗冷菌株选育乃至抗生素外排泵抑制剂的设计提供理论支持。未来研究可进一步聚焦关键蛋白的结构与功能解析，以及其在食品工业低温环境中的实际调控应用。