破解50多年前难题！中国科学院李金华团队揭示趋磁细菌中控制磁小体生物矿化的关键基因网络

趋磁细菌(MTB)是一组在系统发育和形态上具有多样性的原核生物，它们具有通过磁性铁矿物纳米晶体感知地球磁场的能力。这些晶体被封闭在被称为磁小体的胞膜或细胞器内，并使一种被称为磁趋的传感功能得以实现。尽管MTB早在半个多世纪前就被发现了，但关于MTB磁小体生物发生和组织的研究仍局限于培养的少数MTB菌株。

2022年10月28日，中国科学院地质与地球物理研究所李金华团队在National Science Review（IF=23）在线发表题为“Key gene networks that control magnetosome biomineralization in magnetotactic bacteria”的研究论文，该研究揭示了趋磁细菌中控制磁小体生物矿化的关键基因网络。

该研究提出了一个整合基因组学和表型分析，以研究来自系统发育多样化的MTB组的培养和非培养菌株中磁小体生物矿化的遗传基础。菌株的磁小体基因内容/网络与磁粒子形态和链构型相关。总之，该研究提出了一个基因网络的通用模型，用于控制/调节MTB系统中磁小体生物发生和链组装。

趋磁细菌(MTB)是系统发育和形态上多样化的原核生物，它们具有在称为磁小体的细胞器内产生胞内磁铁矿(Fe3O4)或/和硫复铁矿(Fe3S4)纳米晶体的能力。磁小体通常被组织成一条或多条链。通过使用这些专用的磁细胞器，MTB可以沿着地球磁场线在水生环境的氧化-缺氧过渡区(OATZ)中高效地上下穿梭。这一过程最初被命名为磁趋性，后来被修改为磁趋氧/趋化性。破译MTB中磁小体的生物成因和组装，对于理解磁性铁矿物生物控制矿化(BCM)机制和生物体中磁接收的演化至关重要。这种生物矿化也可用于纳米技术和生物医学应用的生物启发磁性纳米链合成。此外，保存在沉积物或沉积岩中的MTB化石(即磁化石)被广泛用于古地磁和古环境分析。

MTB在系统发育上隶属于假单胞菌门中的Alpha变形菌门、Gamma变形菌门和暂定种Eta变形菌门，以及Desulfobacterota、Nitrospirota 和Omnitrophica门，甚至可能隶属于跨细菌域的其他分类学谱系。磁小体晶体的形态和磁小体基因的含量在分类学组甚至种/株之间存在差异。虽然一些磁小体基因的功能已经通过在体内和体外实验中对少数培养菌株MC-1、RS-1和BW-1进行了分析，但系统了解磁小体形成的大多数进展依赖于两个遗传上可处理的菌株：Magnetospirillum magneum AMB-1和Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1，它们隶属于Alphaproteobacteria纲。两种菌株都形成立方面体磁铁颗粒，并组织成单链。

考虑到未培养的MTB的系统发育多样性以及它们不同的磁晶形态和磁链组装，目前仍缺乏控制或调节磁微粒生物生成和磁链组装的基因网络的一般模型。形态和链的组装，仍然缺乏一个控制或调节磁粉生物生成和链组装的基因网络的一般模型；这样的模型不能仅从有限的培养的MTB菌株中确定。因此，需要对来自不同分类学组的MTB进行培养独立的综合研究，并在此评估基因网络在决定其晶体形态和链组装方面的作用。

负责磁小体生物矿化的基因网络概念模型（图源自National Science Review ）

通过比较培养和非培养MTB菌株的基因组和表型分析，作者证明了MTB系统中存在核心磁小体基因(即MACGs)和门特异性磁小体基因(如MACGPs、mad和man)。这证实了磁小体生物矿化能力可能在细菌域中有一个共同的古老起源，并经历了随后的谱系特异性进化。此外，它还为磁小体磁铁矿的门特异性形态提供了遗传学证据。因此，来自古代地质记录的磁化石晶体形态可以作为古代结核分枝杆菌的分类学谱系及其古生态学的可靠指标。该研究还提出了培养和非培养结核分枝杆菌的比较基因组和表型分析的工作流程，能够为控制/调节结核分枝杆菌中磁小体生物发生和链组装的基因网络提出一个尝试性的一般模型。

虽然这一概念模型还不完整，但它为研究磁小体基因功能和链组装提供了新的视角，特别是对除趋磁磁螺旋菌外的MTB。有了这个基因网络，培养菌株的体内定点突变或异源磁小体基因表达将来可以更好地理解棱柱状和子弹状磁铁矿的生物发生和链组装的分子机制。此外，一些蛋白质(如Mad1和Mad2)可能为仿生合成高度延长的磁铁矿纳米颗粒提供合适的靶点。由于其显著的形状各向异性，这种纳米颗粒具有比球形或立方面体颗粒更高的磁力，这可能使其适合于纳米医学和纳米技术的应用。

原文链接：

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwac238/6779695

转自：“iNature”微信公众号

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