嗜冷酵母菌宏基因組學分析研究現狀

丁曉婭

(中國海洋大學 山東 青島 266003)

一、前言

嗜冷微生物適應低溫環境的能力是分子進化和適應的結果，其生理適應性表現在許多方面，它們共同抵消了低動能環境和水凍結帶來的有害影響。科學家通過實驗和觀察等方式已經研究了嗜冷酵母菌的相關嗜冷機制，但在當前比較基因組學分析的背景下，嗜冷酵母菌的蛋白質組、基因組、宏基因組和轉錄組序列數據激增，引發了一系列新的研究。這些研究揭示了氨基酸組成的一致性和蛋白質結構的穩定變化機制，鑒定了參與冷適應的新基因的存在，從而更全面地進行嗜冷機制分析。

目前已經對50多個嗜冷微生物基因組進行了完整測序，其中大多數具有可以公開訪問的注釋結果[1]。從南極宏基因組核酸測序[2-4]，深海隨機全基因組獵槍測序和冰川冰焦測序也獲得了大量的基因組序列數據。對南極宏基因組文庫的功能篩選還確定了許多冷適應酶，例如脂肪酶，酯酶和纖維素酶。

二、宏基因組學分析

嗜冷菌基因組和宏基因組測序的主要焦點之一是確定嗜冷菌的序列決定因素。當處理小型數據集(例如單個蛋白質序列)時，在一般進化和遺傳漂移的背景下，很難解釋氨基酸對低溫做出的適應性改變。而當使用非常大的數據集，例如基因組或宏基因組序列數據時，可能會降低蛋白質或基因特有的進化作用的影響，而更關注極端環境帶來的影響力。

采用宏基因組學方法，在南極四個不同門的海洋低溫菌的六個基因組片段中觀察到了廣泛的冷適應性的氨基酸修飾[2]。蛋白預測的結果包括天冬氨酸，谷氨酸和精氨酸殘基數量的顯著減少，鹽橋、脯氨酸含量和疏水性含量的減少，這些都與熵和構象的增加有關，可以降低蛋白質結構的剛性，從而更好地適應低溫環境。

從宏基因組序列的基因組含量中也可以預測出冷適應機制。據預測，來自海洋的Crenarchaeota的宏基因組克隆中存在多個水平基因轉移，可以起到適應低溫環境的作用[3]。冰川冰焦測序發現了許多用于合成冷凍保護劑甘氨酸、膽堿、肌氨酸和谷氨酸的基因，與細胞膜膜流動性有關的基因，包括決定不飽和脂肪酸合成的基因和編碼去飽和酶的基因，將飽和脂肪酸轉化為不飽和脂肪酸的基因[5]。總之，大量在實驗中發現的冷適應機制已經在宏基因組序列數據得到驗證，這為實驗室不可培養的嗜冷菌的嗜冷機制研究提供了機會。

三、基因組學分析

嗜冷菌基因組和宏基因組分析的趨勢相似，通過對不同嗜冷酵母菌基因組研究，從分子層面揭示其特殊的適應性機制，分析獲得嗜冷相關基因，研究嗜冷菌對低溫和其他極端環境的適應性。

從古細菌嗜冷菌、致冷甲烷菌和布氏甲烷八疊球菌的推導蛋白質中可以鑒定出高水平的不帶電荷極性氨基酸(尤其是谷氨酰胺和蘇氨酸)和較低的疏水性氨基酸(尤其是亮氨酸)含量[6]。對1000多種蛋白質同源性模型的分析表明，來自古細菌嗜冷菌的蛋白質往往具有更多的谷氨酰胺、蘇氨酸和疏水殘基，極性殘基(特別是絲氨酸)增加、谷氨酸替代天冬氨酸、蛋白表面帶電殘基普遍減少的趨勢，進一步支持了增加靈活性和降低熱穩定性有助于酶的冷適應[7]。

在基因組和宏基因組水平上的序列數據分析可以鑒定出發生差異表達的基因，這些不同的適應性機制包括對特定氨基酸的取代、膜流動性、相容性溶質、游離自由基的損傷保護、冷休克反應和基因組的可塑性等。

四、蛋白質組學分析

嗜冷菌的蛋白質組學分析表明嗜冷菌中存在大量可受低溫誘導的基因。在M.burtonii中，通過基因組和蛋白質組學分析鑒定了冷適應的蛋白質，其參與了一系列細胞過程，包括DNA復制和細胞分裂、RNA聚合酶機制、蛋白質折疊、產甲烷作用、轉座和細胞信號傳導[8,9]。從這些基因組和宏基因組學分析中可以看出，嗜冷菌中的多個系統參與了對低溫環境的整體適應。

從基因組分析和宏基因組學分析中可以發現，氨基酸組成的變化都大致符合蛋白質穩定和去穩定化的原則。然而，從單個蛋白質組觀察到的“嗜冷機制”并不能用來預測氨基酸組成的整體適應性，嗜冷機制不是一組獨特的基因，而是總體基因組含量和氨基酸組成的協同變化[10]，不同的嗜冷菌可以采用不同的機制來實現在低溫下生存的目的。

五、結語

基因組和宏基因組學數據對于分析嗜冷菌在適應低溫環境時基因組的可塑性將非常有益，為進一步的生理分析和其他研究提供了強大的基礎。通過對不同嗜冷酵母菌基因組研究，從分子層面揭示其特殊的適應性機制，分析獲得嗜冷相關基因，有助于揭示生命的起源進化等一系列問題，為生物的嗜冷機制及生物多樣性研究提供理論基礎。