海洋细菌DMSP裂解与DMS生成的代谢调控新机制：Halomonas sp. D47中AcuR与AcuZ的协同调控网络
《Advanced Science》：Metabolic Regulation of Dimethylsulfoniopropionate Cleavage and Dimethyl Sulfide Production in Halomonas sp. D47
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本研究揭示了海洋细菌Halomonas sp. D47中DMSP（二甲基巯基丙酸内盐）代谢的精妙调控机制，发现转录调控因子AcuR（TetR家族）与AcuZ（LysR家族）通过感知DMSP及其代谢产物（3-HP、丙烯酸），协调DMSP裂解、DMS（二甲基硫醚）生成与细胞解毒过程，为理解海洋硫循环调控提供了分子基础。
海洋细菌DMSP裂解与DMS生成的代谢调控新机制
引言：全球硫循环的关键环节
二甲基巯基丙酸内盐（DMSP）是海洋中广泛存在的有机硫化合物，年产量达数十亿吨，由浮游植物、细菌及沿海被子植物合成。DMSP不仅是细胞应对盐度、氧化应激的保护剂，更是海洋硫循环的核心物质——其微生物裂解途径每年产生超过300太克（Tg）的二甲基硫醚（DMS），占海洋硫排放总量的90%。DMS作为气候活性气体，其氧化产物可形成云凝结核（CCN），直接影响地球辐射平衡。尽管DMSP裂解对全球硫循环至关重要，但调控该过程的分子机制长期未被阐明。
Halomonas sp. D47：高效DMSP代谢的模型菌株
本研究以从青岛太平角沉积物中分离的γ-变形菌门细菌Halomonas sp. D47为模型，该菌株能以DMSP为唯一碳源生长，其16S rRNA序列与已知高效DMSP代谢菌Halomonas sp. HTNK1完全一致。基因组分析显示，D47携带完整的DMSP代谢基因簇，包含DMSP裂解酶基因dddD、转运蛋白基因dddT、丙烯酸代谢基因acuN/acuK，以及转录调控基因acuZ（原dddZ）和acuR。该基因簇的组织结构与HTNK1高度保守，提示其调控机制可能具有普适性。
DMSP代谢基因簇的精细调控
转录组分析发现，DMSP及其代谢产物（丙烯酸、3-HP）可显著上调代谢基因表达：在5 mM DMSP条件下，dddT、dddD、acuN等基因表达量较0小时样本提升4倍以上，而葡萄糖培养基中则显著下调。更关键的是，基因表达呈现剂量与时间依赖性：1 μM DMSP即可诱导解毒基因acuI表达，而代谢基因（dddTD、dddCA-acuNK）需10 μM以上DMSP才被激活。这种时序调控确保细胞在积累毒性代谢产物前优先启动解毒机制。
AcuZ：双效应物识别的分子开关
LysR家族调控因子AcuZ通过AlphaFold2预测结构显示，其具有两个独立的效应物结合位点：位点1（Thr129、Ser130等残基）特异性结合3-HP（Kd=76.6±10.3 nM），位点2（Trp199、Tyr202等）结合丙烯酸（Kd=358.9±106.1 nM），而DMSP无结合活性。功能研究表明，AcuZ在无效应物时结合dddC/dddT启动子，抑制代谢基因表达；当3-HP或丙烯酸存在时，其构象变化激活转录，实现“抑制-激活”双功能切换。
AcuR：优先启动解毒的“安全阀”
TetR家族调控因子AcuR则呈现不同策略：其与DMSP（Kd=63.5±10.2 nM）和丙烯酸（Kd=340.1±100.3 nM）结合，显著增强对acuI启动子的亲和力。结构分析显示，DMSP与丙烯酸共享结合口袋（关键残基Tyr82、Lys86等），但DMSP亲和力更高。这种设计使AcuR在DMSP进入细胞后立即强化acuI表达，确保毒性中间产物丙烯酰辅酶A（acryloyl-CoA）被及时清除。
协同调控网络：代谢与解毒的精密平衡
AcuR与AcuZ构成级联调控系统：
- 1.
无DMSP时，AcuZ抑制代谢基因，AcuR维持acuI基础表达；
- 2.
DMSP进入细胞后，AcuR优先激活acuI（解毒）；
- 3.
DddD裂解DMSP生成3-HP，激活AcuZ，启动代谢基因表达；
- 4.
代谢通量增加后，AcuZ进一步强化代谢，形成正反馈。
该机制确保解毒先于代谢激活，避免丙烯酰辅酶A积累导致的细胞毒性。
调控机制的普适性验证
生物信息学分析发现，55株DddD依赖型DMSP代谢菌（如Marinomonas posidonica、Leucothrix mucor）均携带AcuR/AcuZ同源蛋白，其结合位点残基高度保守。功能验证显示，Granulosicoccus antarcticus的AcuR/AcuZ同源蛋白仍可结合DMSP/3-HP，表明该调控模式在γ-变形菌门中广泛存在。
结论与展望
本研究首次阐明了海洋细菌DMSP代谢的双调控因子协同机制：AcuR作为“解毒优先”的启动子，AcuZ作为“代谢开关”，通过感知不同代谢产物实现精准调控。该机制不仅解释了高效DMSP代谢菌的生理优势，更为理解海洋硫循环的分子调控提供了新范式。未来研究可聚焦不同生境菌株的调控变异，为海洋生态建模提供分子参数。
