《Nature Ecology & Evolution》：Animal degradation of microbial storage polyhydroxyalkanoates
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广泛范围的微生物产生储存性生物聚合物聚羟基脂肪酸酯（sPHAs）作为碳和能量储备。然而，目前已知只有细菌和真菌能够降解微生物sPHAs，使用称为聚羟基脂肪酸酯解聚酶（PHADs）的酶。这里研究人员表明，一些动物也具有PHADs，能够降解sPHAs。研究人员在无
广泛范围的微生物产生储存性生物聚合物聚羟基脂肪酸酯（sPHAs）作为碳和能量储备。然而，目前已知只有细菌和真菌能够降解微生物sPHAs，使用称为聚羟基脂肪酸酯解聚酶（PHADs）的酶。这里研究人员表明，一些动物也具有PHADs，能够降解sPHAs。研究人员在无内脏寡毛纲动物Olavius algarvensis中发现了一种PHAD，这是一种通过消化细菌共生体获取营养的海洋蠕虫，其中一种优势共生体中sPHAs占细胞碳储存量的42%。酶学测定结合质谱法（MS）证实，异源表达的O. algarvensis PHAD将sPHAs降解为羟基脂肪酸单聚体，这些单聚体可以进入保守的代谢途径。mRNA成像显示PHAD在寡毛纲动物表皮中表达，这是共生体消化的部位。研究人员进一步在来自9个门的66多种有肠动物物种和来自3个主要超群的19种原生生物物种中鉴定出PHADs，表明后生动物的最后共同祖先拥有PHADs。功能测定证实，来自跨越水生和陆生环境的系统发育上遥远的动物谱系的PHADs能够降解sPHAs。这些发现揭示了一条先前未被认识的途径，通过该途径原生生物和动物可以获得微生物碳储备，鉴于sPHAs在生态系统中的广泛存在，具有广泛的相关性。
**论文解读：微生物储存聚羟基脂肪酸酯的动物降解——一项揭示后生动物降解能力的新发现**
**研究背景与问题**
微生物储存聚羟基脂肪酸酯（sPHAs）是由多种细菌和嗜盐古菌合成的天然聚酯，在土壤、活性污泥和海洋沉积物等生态系统中广泛存在。这些储存化合物在碳源充足但生长条件受限（如缺氧或缺乏氮、磷等营养）时积累，可占微生物干重的90%。当条件恢复时，微生物通过自身合成的聚羟基脂肪酸酯解聚酶（PHADs）将sPHAs降解为单聚体、二聚体或寡聚体，用于能量代谢。然而，此前仅细菌和真菌被证实具有降解微生物sPHAs的能力，而动物和大多数真核生物仅产生低分子量的复杂PHA（cPHA），其功能为调控或结构作用，而非储存。尽管sPHA合成微生物在环境中普遍存在，但动物是否能够利用这些微生物碳储备一直未知。这一知识空白限制了我们对碳循环中微生物碳库流动的理解，也阻碍了sPHA作为生物塑料在循环经济中的应用潜力。因此，研究人员以无内脏海洋蠕虫Olavius algarvensis为模型，探索动物是否编码功能性PHADs，并评估其在真核生物中的分布。
**研究内容与结论**
研究人员从O. algarvensis基因组中鉴定并克隆了其PHAD基因（phaZ），证实其真核起源（含10个外显子和9个内含子）。系统发育分析显示，该PHAD与共生体Ca. Thiosymbion algarvensis的PHAD属于不同进化分支，分别对应胞外dPHADscl的域类型2和域类型1。通过异源表达、酶学测定和GC-MS分析，确认O. algarvensis PHAD能降解PHB和PHB/PHV共聚物，释放羟基丁酸（HB）单聚体，效率与已知细菌PHAD相当。mRNA原位杂交（HCR-FISH）表明该酶在表皮细胞中表达，即共生体通过吞噬溶酶体消化的部位。拓展搜索发现，来自9个门（包括海绵、环节动物、节肢动物、软体动物等）的66种有肠动物和18种原生生物（覆盖3个超群）均编码PHAD同源物，且关键催化位点（催化三联体、氧阴离子孔）高度保守，约75%的动物PHAD含有信号肽。功能验证显示，海绵Amphimedon queenslandica、蚯蚓Lumbricus rubellus和跳虫Folsomia candida的PHAD均能降解sPHAs。系统发育分析表明，后生动物PHAD与原生生物PHAD形成姐妹群，提示后生动物的最后共同祖先已具备PHADs。该研究还发现，无内脏寡毛纲动物的共生体Thiosymbion虽保留PHAD（用于调控自身sPHA含量），但缺乏下游代谢酶（如β-羟基丁酸脱氢酶BHBD），无法利用sPHA降解产物，从而将碳源专供宿主利用。该研究发表于《Nature Ecology》。
**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术：1）从2015至2021年采集的15种无内脏寡毛纲动物个体（n=3-15）中提取总RNA和宿主富集RNA，构建polyA和总RNA文库，在Illumina HiSeq3000上测序获得转录组数据；2）通过BLASTp和HMMER搜索PHAD工程数据库和公共数据库，鉴定动物和原生生物PHAD序列；3）利用AlphaFold2进行同源建模，与已解析晶体结构（P. funiculosum PHAD，PDB 2d81）比对；4）采用异源表达（大肠杆菌表达系统或无细胞表达系统）和酶学斑点实验，结合GC-MS分析降解产物；5）使用HCR-FISH和多重标记荧光原位杂交（ML-FISH）定位mRNA表达，以及高压透射电镜观察细胞结构；6）构建最大似然系统发育树（IQ-TREE，超快速自举1000次）。
**研究结果**
**1. 无内脏海洋蠕虫O. algarvensis编码并表达PHAD**
通过基因组和转录组分析，鉴定出phaZ基因含10个外显子，系统发育显示宿主PHAD与共生体PHAD分属不同域类型。AlphaFold2预测结构显示催化三联体（Ser42、Asp127、His167）和氧阴离子孔（Cys259）与真菌PHAD完全保守。异源表达后，斑点实验和GC-MS证实该酶降解PHB和PHB/PHV产生HB单聚体，效率达11%（对照P. lemoignei为14%）。HCR-FISH显示宿主PHAD mRNA在表皮细胞中表达，与共生体消化位点一致。
**2. 降解sPHAs的基因在无内脏寡毛纲动物中普遍存在**
在14种其他无内脏寡毛纲动物中均检测到PHAD转录本（每物种1-6个同源物），序列相似性25%-80%，且所有宿主PHAD形成单系群，与共生体PHAD截然不同。表达量分析显示PHAD与吞噬溶酶体消化酶水平相当，且8种宿主表达BHBD基因，表明能利用sPHA降解产物。
**3. 共生体可能无法代谢自身产生的sPHAs**
所有15种Thiosymbion共生体均编码PHAD，但缺乏BHBD、羟基丁酸二聚体水解酶和3-羟基丁酰辅酶A脱氢酶等下游代谢酶。系统发育分析将共生体PHAD归入胞内型（无信号肽），与sPHA合成菌一致。因此，共生体保留PHAD仅用于调控sPHA含量，无法利用其碳源，而宿主通过BHBD捕获碳。
**4. 来自9个门的动物编码PHADs**
在公共数据库中共鉴定195个动物PHAD（分布于66种动物，9个门）和48个原生生物PHAD（18种）。序列比对显示所有候选酶均保留催化三联体和氧阴离子孔，约75%含信号肽。系统发育分析将PHADs与角质酶和脂肪酶明确区分。功能验证：海绵、蚯蚓和跳虫的PHAD均能降解PHB和PHB/PHV。
**5. 真核生物PHAD的进化与分布**
所有后生动物PHAD与原生生物PHAD形成单系群，海绵A. queenslandica的PHAD位于基部，支持后生动物祖先已拥有PHAD。系统发育关系大致反映动物亲缘关系，但部分分支（如节肢动物和环节动物）存在基因复制和丢失现象。
**讨论与结论**
研究表明，sPHA降解能力在原生生物和动物中广泛存在，且可能源于后生动物最后共同祖先。这一发现揭示了微生物碳储备通过动物消化被重新利用的途径，对全球碳循环具有重要意义——传统上忽略的细胞内储存碳（如sPHA）可能被动物大量消耗。然而，自然环境中sPHA浓度和降解速率数据稀缺，现有方法可能低估其含量。此外，在塑料污染背景下，动物PHADs对sPHA基生物塑料的降解能力提示其潜在应用价值。研究结论：研究人员鉴定出PHADs作为一类新的动物酶，并强调其在水生和陆生环境中原生生物和动物中的普遍性。未来需聚焦自然生态系统中sPHA的合成与降解，以更深入理解碳循环贡献，并制定缓解塑料污染的策略。
