海大张晓华组-两种产生冷室气体二甲基硫的新型甲基转移酶存在于放线菌门细菌中
研究论文
● 期刊：Advanced Science [IF 14.3]
● DOI：10.1002/advs.202510141
● 原文链接: https://doi.org/10.1002/advs.202510141
● 发表日期：2025-12-03
● 第一作者：郭瑞红、郭子华、周羿、张蕴慧
● 通讯作者：张晓华、Jonathan D. Todd
● 主要单位：中国海洋大学、英国东英吉利大学
摘要Abstract
硫化氢（H2S）、甲硫醇（MeSH）和二甲基硫（DMS）是丰富的含硫气体，在全球硫循环、化学趋化和气候调节中发挥着关键作用。微生物可通过S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依赖的甲基化作用，将具有细胞毒性的H2S和MeSH转化为无毒的DMS，这一过程在陆地及海洋环境中分别主要由MddA和MddH酶催化。然而，由于未知的Mdd酶的存在，包括放线菌门在内众多重要且丰度较高的细菌在此过程中的作用长期以来被低估。本研究从马里亚纳海沟分离出的产DMS放线菌——海绵分枝菌酸小杆菌Mycolicibacterium poriferae ZYF656中，鉴定出两种新型H2S和MeSH依赖的S-甲基转移酶MddM1和MddM2。M. poriferae ZYF656的mddM1和mddM2的转录受H2S、MeSH及氧化胁迫诱导，因此认为其具有解毒H2S、MeSH以及增强宿主对氧化胁迫的耐受性功能。MddM1和/或MddM2广泛存在于超过50%的放线菌门细菌中，包括模式菌株委内瑞拉链霉菌（Streptomyces venezuelae），同时也见于部分绿弯菌门、酸杆菌门和变形菌门细菌。在多种环境中，mddM1的丰度始终高于mddM2，且在土壤和沼泽沉积物中尤为普遍。本研究揭示了H2S和MeSH依赖的DMS产生途径的重要性，并强调了放线菌门在全球DMS产生及硫循环中的关键作用。
引言Introduction
海洋中藻类和微生物合成的大量二甲基巯基丙酸内盐（DMSP）是海洋中DMS的主要来源，由DMSP裂解产生DMS这一过程被认为主要是由海洋细菌驱动。但也有DMSP非依赖的细菌DMS产生途径，如H2S和MeSH的S-甲基化。已知在陆地与海洋环境中，不依赖DMSP的DMS产生过程分别主要由MddA和MddH这两类酶催化。本研究基于在海洋和陆地生态中均广泛分布的放线菌门细菌，发现和鉴定了未知的Mdd酶—MddM1和MddM2，强调了放线菌门细菌在全球DMS合成及硫循环中的关键作用。
结果Result
M. poriferae ZYF656产生的DMS与MeSH活性
本课题组前期从9600米深的马里亚纳海沟海水中分离出一株菌株——M. poriferae ZYF656，在与甲硫氨酸（Met）、3-甲基巯基丙酸盐（MMPA）、H2S以及MeSH培养时能够产生DMS。该放线菌即使在含有Met（DMSP的前体物质）的条件下培养，也未生成DMSP；而在与DMSP培养时，亦未能产生DMS或MeSH。这些数据证实，该海洋放线菌产生DMS的途径依赖于H2S和MeSH的S-甲基化反应，而非DMSP依赖的代谢通路。
图1 | 简化的DMSP/DMS循环及其关键酶与代谢途径
M. poriferae ZYF656的基因组中未鉴定出明确的DMSP脱甲基酶（dmdA）或DMSP裂解酶（ddd）基因，与其缺乏DMSP裂解及脱甲基活性的实验结果一致。然而，该菌确实含有megL和dmdB/AcuH基因，其编码的甲硫氨酸-γ-裂解酶（EC4.4.1.11）及DMSP脱甲基途径相关蛋白可分别从Met和MMPA生成MeSH，进一步支持了Met与MMPA作为前体物质、通过MeSH的S-甲基化生成DMS的推测路径。值得注意的是，M. poriferae ZYF656的预测蛋白质组中，未发现任何与已知MddA、MddH、TMT1A或TMT1B蛋白同源性≥40%的同源蛋白，暗示该放线菌可能利用新型的Mdd酶催化H2S和MeSH的S-甲基化反应。
新型酶MddM1和MddM2的鉴定
为鉴定负责催化H2S和MeSH发生S-甲基化反应的基因，我们构建了M. poriferae ZYF656的基因组文库，并在大肠杆菌JM109中筛选了Mdd活性。通过筛选获得两个具有Mdd活性的独立克隆并进行了测序。每个克隆均含有一个独特的S-腺苷甲硫氨酸依赖性甲基转移酶，分别命名为MddM1和MddM2。将mddM1和mddM2分别克隆至大肠杆菌BL21(DE3)表达后，二者均能赋予宿主菌催化H2S经S-甲基化生成MeSH和DMS，以及将MeSH转化为DMS的能力。此外，将克隆化的mddM1和mddM2导入天然缺乏Mdd途径的放线菌——谷氨酸棒杆菌RES167后，该菌也能利用1 mM MeSH和H2S生成DMS。
MddM1与MddM2在放线菌门中广泛存在
为进一步分析通过S-甲基化作用代谢H2S和MeSH的潜力，我们对UniprotKB与Swiss-Prot数据库中收录的基因组进行了mddM1与mddM2基因分布研究。结果显示，符合筛选标准（E-value≤1e-30）的MddM1与MddM2候选蛋白主要存在于放线菌门（Actinomycetota），同时也分布于部分变形菌门（包括α、β、γ、δ-变形菌纲）、绿弯菌门（Chloroflexota）、黏球菌门（Myxococcota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、脱硫单胞菌纲（Desulfuromonadia）及Candidatus Dormibacteraeota候选门中。这些MddM1同源蛋白的来源环境以土壤和海洋为主，但也存在于人类、动植物、水体等其他来源的细菌中（尽管出现频率较低）。相比之下，仅鉴定出24个MddM2同源蛋白，且全部来源于人类相关的放线菌门物种。
图2 | MddM蛋白的最大似然发育树
重组酶MddM1与MddM2的功能表征
酶动力学研究表明，MddM1对MeSH的Km值（0.76 mM）约为对H2S（0.46 mM）的1.6倍，而其催化MeSH的kcat值（0.21 s-1）约为H2S的5倍。因此，MddM1催化MeSH发生S-甲基化反应的效率（kcat/Km：274.33 M-1 s-1）约为催化H2S（kcat/Km：90.3 M-1 s-1）的3倍，表明在体外体系中MeSH的消耗速率高于其生成速率。TbMddM2对H2S（0.16 mM）和MeSH（0.22 mM）的Km值相近，均显著低于MddM1的对应数值。相反，TbMddM2催化MeSH的kcat值约为H2S的3倍。因此，TbMddM2同样表现出催化MeSH的S-甲基化效率（kcat/Km：272.73 M-1 s-1）高于H2S（kcat/Km：125 M-1 s-1）。酶动力学数据显示，MddM1与TbMddM2对MeSH的活性相近，均比对H2S的活性低约1.5倍，且TbMddM2的活性略高。MddM1和TbMddM2的比活性显著高于MddA，但低于MddH。
图3 | MddM1（左）和MddM2（右）的酶动力学测定
Mdd系统在多种环境样品中的重要性
对多种环境样品的宏基因组分析显示，mddM1基因在所有环境中均有存在，但在土壤中丰度最高（3.3%），这支持了依赖H2S和MeSH产生DMS是沉积环境中重要过程的预测。在海水样品中，mddM1的相对丰度为0.02%–0.58%，但其普遍性随海水深度增加而降低。相比之下，mddM2在所有环境中的相对丰度均极低（0–0.58%），且在本数据集内的海水样本（≤200米深度）、冷泉及热液喷口中均未检测到mddM2基因。总体而言，在大多数水体样本中，DMSP裂解基因dddP的丰度远超所有mdd基因，但沉积物样本除外，这表明DMSP裂解是水体中DMS的主要来源。此外，mddH基因在各种环境中也呈现广泛分布。
图4 | dddP与mdd基因在选定环境宏基因组数据中的分布
以上研究结果揭示了依赖H2S与MeSH产生DMS的重要性，并指出放线菌门在全球DMS产生及硫循环中的关键作用。未来研究需整合多组学分析与Mdd途径及其他DMS产生/消耗过程的定量测量，以进一步阐明这些路径在不同海洋及陆地环境中的相对重要性。
参考文献
R. Guo, Z. Guo, Y. Zhou, et al. “Two Novel S-methyltransferases Confer Dimethylsulfide Production in Actinomycetota.” Adv. Sci. (2025): e10141. https://doi.org/10.1002/advs.202510141
作者简介
张晓华(通讯作者)
张晓华，中国海洋大学海洋生命学院二级教授、博导，担任国际期刊mSystem编委，Marine Life Science & Technology常务副主编。主要从事微生物海洋学研究，重点关注海洋微生物驱动的地球化学循环过程和机制。以通讯作者在Nature Microbiology、Nature Communications等发表SCI论文100余篇。
作者主页：
http://cmls.ouc.edu.cn/e2/20/c13678a188960/page.psp
Jonathan D. Todd(通讯作者)
Jonathan D. Todd，英国东英吉利大学，教授，同时也是中国海洋大学客座教授，以第一/通讯作者在Science和Nature Microbiology、Nature Communications等顶尖期刊发表论文10余篇，在Microbiome, The ISME Journal等其他顶尖期刊发表研究论文近百篇。致力于探究微生物在生物地球化学循环中发挥的作用，旨在深入了解微生物在维持生态平衡和驱动生物地球化学循环中所发挥的重要作用，鉴定了多数的DMSP裂解和合成基因。
作者主页：
https://research-portal.uea.ac.uk/en/persons/jonathan-todd
郭瑞红(第一作者)
郭瑞红，中国海洋大学博士后，现青岛大学青年卓越人才，讲师，以第一作者/通讯作者在Journal of Advanced Research, Emerging Microbes & Infections等期刊发表SCI论文十余篇。
作者主页：
https://pharma.qdu.edu.cn/info/1020/4364.htm
郭子华(第一作者)
郭子华，中国海洋大学在读博士生。
作者主页：
https://www.researchgate.net/profile/Zihua-Guo
周羿(第一作者)
周羿，中国海洋大学硕士毕业生。
作者主页：
https://www.researchgate.net/profile/Yi-Zhou-245
张蕴慧(第一作者)
张蕴慧，中国海洋大学海洋生命学院副教授。主要从事微生物海洋学研究，重点关注不同海洋环境中微生物有机硫循环过程的生态研究和微生物有机硫的代谢过程中的新基因的鉴定。以第一作者在Nature Microbiology、Molecular Ecology、Applied and Environmental Microbiology等微生物学领域主流期刊发表多篇SCI论文。
作者主页：
https://cmls.ouc.edu.cn/2023/0302/c12080a424788/page.htm
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