一条新型异养细菌H2S氧化途径的调控和代谢机制研究

In heterotrophic bacteria, H2S and sulfane sulfur have important physiological effects. Their intracellular concentrations are controlled by the sulfide oxidation pathway. The H2S oxidation by heterotrophic bacteria is also the key link to sulfur biogeochemical cycle. The SQR-PDO pathway is the main H2S oxidation pathway in heterotrophic bacteria. Applicant discovered a new H2S oxidation pathway in Bacillus licheniformis, which is unusual in regulation and metablism. The SQR-PDO pathway was only a part of this novel pathway. It was coordinately regulated by two regulators YrkD and NreBC, which has not been reported. In addition, the gene cluster contains six neighbor-joining genes coding for enzymes involved in sulfane sulfur metabolism. How these enzymes participate in this H2S oxidation pathway is unknown. The project targets this new route for sulfur oxidation, focusing on the cascade regulation and the metabolism of H2S and sulfane sulfur. The regulatory function of YrkD-NreBC in vivo will be clarified; the regulation mechanisms of YrkD and NreBC will be deciphered; the dynamics of the cascade regulation process will be investigated. Further, the detailed function in this pathway and relation to sulfane sulfur of these six adjacent genes will be studied in terms of biochemistry, physiology and distribution. This work can enrich the knowledge of sulfur oxidation by heterotrophic bacteria and promote their application in H2S biological treatment.

H2S和硫烷硫对异养菌具有重要生理活性，但过量有毒。异养菌的H2S氧化途径可控制其胞内浓度。在异养菌中SQR-PDO途径是已知最主要的H2S氧化途径，也是硫元素生物地化循环的重要节点。申请人在地衣芽孢杆菌中发现了一条新型H2S氧化途径，在调控和代谢上都有新颖性：SQR-PDO是这条新途径的一部分，受同途径基因编码的YrkD和NreBC双调控因子的级联调控，此调控类型未见报道；该途径还包含6个同向相邻基因，其同源基因功能与硫烷硫代谢相关，但属首次成簇分布且在途径中作用不明。本项目以此新途径为研究对象，分别从级联调控和H2S、硫烷硫代谢入手，先明确双调控因子的体内调控功能；再分别探究YrkD和NreBC调控的分子机制；后揭示双调控因子的动态级联过程；并从生理、生化和分布3角度解析6相邻基因在途径中的具体功能及与硫烷硫代谢的关系。阐明本途径可丰富异养菌硫氧化的理论内涵，推进H2S生物处理的应用。

地衣芽孢杆菌MW3可降解鸟类羽毛。羽毛角蛋白富含半胱氨酸，半胱氨酸代谢产生有害的硫化物和硫烷硫。生长在羽毛上的地衣芽孢杆菌MW3面临的一个挑战是对它们进行解毒。在这里，我们解析了MW3耐受羽毛还原硫压力的机制。我们报告羽毛降解细菌地衣芽孢杆菌使用两种调节剂来控制硫化物氧化的基因簇。该簇包含11个基因：第一个基因是编码阻遏调控蛋白的yrkD，接下来的六个基因组成了yrkE-ydfQ基因簇，推测其参与了硫氧化代谢；第8个和第9个基因nreB和nreC编码一个双组分调节系统，最后两个基因编码硫化物：醌还原酶(SQR)和过硫化物加氧酶(PDO)。SQR和PDO将H2S氧化成硫代硫酸盐。该基因簇具有三个启动子，前两个启动子被YrkD抑制，第三个启动子被NreBC系统激活。当YrkD感知到硫烷时，它会被修改并去抑制受控基因。当NreBC感应到HS-时，它激活了sqr和pdo的转录。这是首次鉴定到直接感应硫化物的调控蛋白。YrkD感应硫烷可以通过前两个启动子解除对整个基因簇11个基因的抑制控制，NreBC系统感应硫化物后被激活，进一步放大sqr和pdo的转录水平。yrkE-ydfQ基因簇编码的蛋白产物主要用于对付细胞内的硫烷，而SQR-PDO则主要被用于对付细胞受到的H2S压力。这11个基因都与对抗羽毛降解的压力有关。其中两个调节系统协同控制基因簇的表达提高了细菌在羽毛上生长的能力。我们进一步解析了NreB感应H2S的分子机制。NreB包含一个PAS结构域，中心有一个血红素B，一个独特的直径为2.5Å的带正电荷的通道将表面连接到血红素。三个保守的半胱氨酸残基位于血红素附近通道底部的边界，它们突变为丝氨酸残基会降低硫化物的感应。提出了NreB的硫化物传感机制。这些发现强调了在羽毛降解过程中去除硫化物和硫烷硫的必要性，可能有助于羽毛废物和硫化物污染的生物修复。