海洋SAR11细菌类群裂解DMSP的分子机制及其生态适应机制

Dimethylsulfoniopropionate (DMSP) is an important participant in marine sulfur cycle. Marine bacteria of SAR11 clade are typical oligotrophic microorganisms, and they are the most abundant bacteria in ocean surface waters. SAR11 bacteria can cleave DMSP into dimethyl sulfide (DMS) and acrylate. When released into the atmosphere from the ocean, DMS participates in the formation of cloud by forming cloud condensation nuclei, which may affect the global climate. The only DMSP lyase identified from SAR11 is DddK. However, the catalytic mechanism of DddK remains unclear. By using techniques of enzymology, biochemistry and structural biology, this project will carry out the following studies: firstly, study the enzymatic properties of DddK; secondly, solve the crystal structures of DddK and DddK in complex with DMSP, and identify key residues in binding and catalyzing DMSP; thirdly, elucidate the catalytic mechanism of DddK through structural and mutational analyses; and lastly, reveal the ecological significance of the cleavage of DMSP by SAR11 through analyzing the transcriptional level of DddK gene under different circumstances and comparing differences between DddK and other DMSP lyases. The results of this program will enrich our understanding on marine DMSP metabolism and marine sulfur cycle. This program will also provide important evidence for the ecological adaption of oligotrophic environments by SAR11 bacteria.

二甲基巯基丙酸内盐(DMSP) 是海洋硫循环的重要载体物质。SAR11是典型的寡营养细菌，它们是海洋表层海水中分布最广的细菌类群。SAR11能裂解DMSP产生二甲基硫（DMS）和丙烯酸。DMS进入大气层参与云的形成，对全球气候变化有重要影响。在SAR11中已鉴定的DMSP裂解酶只有一种，即DddK。本研究将综合利用酶学、生物化学和结构生物学等技术，首先，将探究DddK的催化特性；其次，通过解析DddK及其与底物复合物的晶体结构，找出识别和催化底物的关键氨基酸残基；结合突变分析，阐明DddK催化的分子机制；最后，通过分析DddK的编码基因在不同条件下的转录水平及比较DddK与其它DMSP裂解酶的生化性质和催化机制等，揭示SAR11裂解DMSP的生态学意义。本项目研究结果将丰富我们对海洋中DMSP代谢及海洋硫循环的认识，加深我们对SAR11细菌类群能够在寡营养海域广泛分布的生理生化基础的理解。

二甲基巯基丙酸内盐(DMSP) 在海洋环境中广泛存在，并在全球碳循环和硫循环过程中发挥重要作用。许多海洋微生物可以通过DMSP裂解酶裂解DMSP产生挥发性的二甲基硫（DMS）。在大气中，DMS的氧化产物能通过形成云凝结核参与云的形成，进而影响全球温度和气候环境。SAR11细菌类群是典型的寡营养细菌，它们是海洋表层海水中分布最广的细菌类群。很多SAR11类群细菌可以通过DMSP裂解酶DddK裂解DMSP产生DMS。在本项目中，我们综合利用酶学、生物化学和结构生物学等技术，首先，探究了DddK的催化特性，DddK的最适酶活温度为50℃，最适酶活pH为9.0，DddK对DMSP的Km值为39.4 mM；其次，解析了DddK及其突变体Y122A与DMSP复合物的晶体结构，找出了识别和结合DMSP的氨基酸残基；结构分析、突变分析和生化实验结果表明Tyr64是DddK催化DMSP裂解的催化残基，DddK催化腔中的一个活性水分子对Tyr64的去质子化起到关键作用；接着，我们进一步阐明了DddK催化的分子机制，在DddK结合DMSP之前，氨基酸His56、His58、Glu62、His96及一个水分子参与了活性中心Mn2+的配位，当DMSP进入底物结合腔后，其取代水分子与Mn2+形成新的配位键，随后，氨基酸残基Tyr64攻击DMSP的Cα的质子，最终导致C-S键的断裂及DMS的生成；最后，序列比对及系统发育分析表明我们提出的DddK的催化机制在SAR11细菌类群中具有普遍的意义。本项目研究结果丰富了我们对海洋中DMSP代谢及海洋硫循环的认识，加深我们对SAR11细菌类群能够在寡营养海域广泛分布的生理生化基础的理解。