近日，深海生物学研究室深海生物活性物质研究团队撰写的论文“α-Pyrone mediates quorum sensing through the conservon system in Nocardiopsis sp.”于Microbiological Research期刊（生物学1区）在线发表，硕士毕业生朱柏羽为文章第一作者，韩壮副研究员为通信作者。该研究在马里亚纳海沟深渊来源菌株Nocardiopsis sp. LDBS0036中发现一种新的放线菌信号分子—α-吡喃酮 (α-pyrone)，这类化合物可以调节拟诺卡氏菌的群体感应过程。同时，研究发现α-吡喃酮介导的调节机制在诺卡氏菌属中较为普遍且在放线菌的种内及种间相互作用中扮演着重要功能。因此，本文研究结果揭示了一种新型的群体感应信号系统，这预示着目前仍有很多潜在的细菌通信模式尚未被发现。

微生物的群体感应（Quorum Sensing）是一种微生物间的沟通交流机制，微生物通过释放和感知信号分子（自诱导剂）来检测种群密度和环境变化，并调节基因表达。当种群密度达到某个阈值时，信号分子的浓度增加，触发一系列基因表达，协调群体行为，如生物发光、生物膜形成、毒素和抗生素的产生。

放线菌能够产生大量具有生物活性的次生代谢物，这些代谢物的生产通常由群体感应信号分子调节。团队发现了拟诺卡氏菌Nocardiopsissp. LDBS0036中的新型信号分子—α-吡喃酮 (α-pyrone)，且通过研究验证了α-吡喃酮的信号分子功能。结果显示，小分子nocapyrone I可以介导菌株的群体感应，诱导吩嗪类抗生素的产生（图1a-c）。通过生物信息学分析发现，菌株LDBS0036中吡喃酮合成基因上游存在一个多组分调控系统——Conservon。敲除该系统的基因后，吩嗪和吡喃酮的产量均受到影响，推测其用于接收和传递α-吡喃酮信号（图2a）。

图1 菌株LDBS0036中吡喃酮调控群体感应和次级代谢

图2 Conservon系统调控吩嗪的产生及其与吡喃酮合成基因在拟诺卡氏菌中的分布

分析发现，包含conservon系统的吡喃酮生物合成基因簇在放线菌拟诺卡氏属（Nocardiopsis）中广泛存在并高度保守（图2e）。此外，吡喃酮同系物在链霉菌属中也存在并且通过不同途径合成。将代表性的拟诺卡氏菌及链霉菌发酵上清液添加到吡喃酮敲除型菌株∆nprB后，恢复了吩嗪的产生（图3a）。通过质谱分析和构建化合物的分子网络，发现能激活吩嗪产生的菌株中都可以产生吡喃酮类小分子（图3b）。基于此，团队提出了不同来源、不同类型的α-吡喃酮类小分子介导放线菌种间及种内相互作用的模型（图3c）。该研究结果拓展了我们对放线菌群体感应系统的认识，有助于在放线菌中激活沉默的活性代谢产物合成，同时也可以为合成生物学提供开关、生物传感器和逻辑门等工具。

图3 α-吡喃酮介导的种间及种内相互作用

该工作得到了国家重点研发计划，海南省重点研发计划和全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）等项目的支持。

论文信息：Boyu Zhu(朱柏羽), Ziyun Cen(岑梓韵), Yiqiu Chen(陈以秋), Kun Shang(尚琨), Ji’an Zhai(翟吉安), Meigui Han(韩梅桂), Jiawei Wang(王佳伟), Zhiyong Chen(陈志勇), Taoshu Wei(魏韬书), Zhuang Han*(韩壮). α-Pyrone mediates quorum sensing through the conservon system in Nocardiopsis sp.. Microbiological Research., 2024, 285, 127767.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.micres.2024.127767