菌株Nocardioides sp. JQ2195降解可替宁的代谢途径及分子机制

Cotinine (1-methyl-5-[3-pyridyl]-2-pyrrolidone) is the primary metabolite and excretion of nicotine in human body. It is ubiquitous in municipal sewage and surface water. Cotinine is highly toxic. The fate and ecotoxicity of cotinine in the natural environment are of great interest. Reported studies demonstrated that cotinine was mostly degraded by microorganisms in the environment. However, the degradation processes and biological mechanisms for the degradation of cotinine by microorganisms are still unknown. Nocardioides sp. strain JQ2195, which is able to utilize cotinine as sole carbon source for growth, has been isolated in our laboratory and two new intermediate metabolites have been identified. This project was designed to investigate the degradation pathwayof cotinine and identify the genes (cluster) involved in cotinine degradation in Nocardioides sp. strain JQ2195 by genomics, comparative transcriptome/proteome analysis, gene knockout and complementation technologies. This study will reveal the processes and regulatory mechanisms of cotinine degradation at the biochemical and genetic levels. Moreover, the research will be greatly helpful in understanding the fate and ecotoxicity of cotinine in the natural environment.

可替宁（1-甲基-5-[3-吡啶基]-2-吡咯烷酮）是尼古丁在人体内最主要的代谢产物和排泄物，在市政污水和地表水中广泛存在。因可替宁具有较强的毒性，研究其在环境中的降解和归趋以及生态毒理具有非常重要的意义。已有研究表明微生物代谢是环境中可替宁降解的主要因素，但目前关于微生物降解可替宁的代谢过程和分子生物学机制还未见报道。申请人从市政污水处理系统活性污泥中分离到一株能利用可替宁为唯一碳源生长的细菌Nocardioides sp. JQ2195，并检测到两个新的降解产物。本项目拟以菌株JQ2195为材料，通过降解中间产物鉴定、基因组和比较转录组/蛋白组分析、基因敲除与回补等技术，揭示细菌降解可替宁的代谢途径，克隆可替宁的降解相关基因（簇），鉴定降解基因的生理学功能以及转录调控机制。本研究将在生化和遗传水平上揭示微生物降解可替宁的代谢机制，为深入可替宁在环境中的降解和归趋以及毒理学提供理论依据。

可替宁是尼古丁在人体中的主要代谢产物，随尿液排入到水环境中。全世界每年烟草消费量巨大，使得可替宁成为广泛存在于各种水环境中的新型污染物。可替宁对水生生物、哺乳动物和人类具有不同程度的细胞毒性、遗传毒性和发育毒性等。微生物是环境中可替宁去除的主要驱动力。但目前可替宁微生物降解菌株、降解菌群、降解机制、代谢途径及相关的基因和酶没有报道。本项目以细菌Nocardioides sp. JQ2195为材料，研究其降解可替宁的分子机制，取得以下成果：1. 对菌株JQ2195的诱导型降解可替宁做了深入研究；2. 测定了菌株JQ2195基因组完成图序列并做生物信息学分析；3. 以可替宁和葡萄糖培养，做转录组测序，分析表达差异基因；4. 鉴定了一个约50 kb的基因簇（命名为cot）与可替宁降解直接相关；5. 克隆、鉴定并研究了第一步关键降解酶CotA1A2A3的反应机制和酶学特性；6. 全面检测、鉴定可替宁降解过程中的中间产物，并绘制完整代谢途径；7. 鉴定了可替宁上游降解过程的转录调控基因pucRcot基因；8. 新富集了一个具有更高降解能力的可替宁降解菌群Cot 02并对其降解能力、特性、途径进行分析鉴定。本项目顺利开展了各项研究工作，首次阐明了可替宁微生物降解代谢过程和分子机理，研究成果为深入研究可替宁在环境中的降解、转化和归趋以及可能产生的生态效应提供理论依据。.总体来说，本项目完成了预期研究目标。项目主持人以第一或通讯作者发表标注项目号SCI录用文章5篇，其中包含Appl. Environ. Microbiol.（2篇）和J. Bacteriol.（1篇）；培养博士研究生1名，硕士研究生2名。