厚壁菌门不同成员孢子形成基因组的保护和进化

文|阿兮兮大喊

编辑|阿兮兮大喊

前言

当前的厚壁菌门分类学（新名称芽孢杆菌门）有八个不同的类别，其中六个包括已知的孢子形成细菌。 在枯草芽孢杆菌中，多达 500 个基因参与孢子形成，其中许多基因在其他杆菌和/或梭菌中没有直向同源物。

先前的研究鉴定了大约 60 个枯草芽孢杆菌的孢子形成基因，这些基因是厚壁菌门所有孢子形成成员所共有的，被称为孢子形成核心或特征，尽管其中许多基因也存在于非孢子体的基因组中。

孢子原基因组收集

该分析集由来自 160 个属的 180 个基因组组成，代表每个已命名的厚壁菌属，并包括截至 2019 年 3 月 39 日至少一个完全测序的基因组以及该日期之后发布的几个基因组。

这些生物属于目前公认的六种厚壁菌门，包括芽孢杆菌、梭状芽胞杆菌、丹毒菌、林多胞菌、阴性菌和蒂西氏菌，代表了 102 个物种，其原始描述提到了其形成孢子的能力，以及 1 个非孢子物种个体（基于各自菌株的描述），以及两个孢子形成状态尚不清楚的物种。

在进行这项研究时，还没有来自 Culicaceae 和 Thermolithobacter 类代表的完整基因组测序。 这些类别的成员被描述为不产生孢子。

为了确保基因存在-不存在模式的可靠性，这项工作依赖于最近发布的 COG 数据库中包含的高质量基因组，其中大部分基因组已经过 NCBI RefSeq 团队的审查并被选为 RefSeq 参考基因组。

尚未描述两种生物体 Caproici Producens sp 的孢子形成状态。 菌株 NJN-50 和 Thermincola potens JR，它们都有孢子和原生动物的亲缘关系。 为了确保丹毒类的适当覆盖，COG 数据库的两名成员补充了五个额外的基因组，其中两个来自已知的子孢子，[Clostridium]innocuum（括号表明该生物体被错误命名，有待纠正）和丹毒（以前称为称为梭菌）ramosum。

孢子形成和基因组大小。

孢子体通常比非孢子体具有更大的基因组，在我们的收集中，前者的平均基因组大小约为 3.9Mb，而后者的平均基因组大小约为 2.7Mb，尽管其基因组大小分布与之前报道的培养孢子体的基因组大小分布重叠。 此处分析了扩展基因组集的 2.3 Mb 边界。 该组中只有两个未培养的子孢子，“C. audaxviator”SFB小鼠和“Desulforudis audaxviator”MP104C，其基因组大小小于2.4 Mb。

最近培养的孢子形成菌株 ‘Ca. Desulforudis audaxviator’ 具有 2.2 Mb 基因组 [48] 不属于 COG 集）。 与之前的报道一致 (3, 49, 50)，即使在密切相关的生物体之间，形成孢子的能力也常常不同：芽孢杆菌属中的芽孢杆菌科和壳球菌科、梭菌目中的大多数科，以及不同类孢子体的基因组大小的比较和非孢子体，包括 Tissierellaceae 和 Erysiperlotrichaceae 科的所有成员，包括产孢和产孢成员。

孢子基因选择。

出于本工作的目的，孢子基因被定义为参与孢子形成但在营养细胞中没有已知的看家作用的基因。 这种方法排除了大多数代谢酶，以及参与 DNA 复制和修复、转录、翻译、运动、分泌和其他过程的蛋白质。

我们还包括参与不对称细胞分裂的细胞分裂基因，以及在孢子形成开始时发挥作用的 Spo0A 调节基因、在 SigF 和/或 SigG 控制下表达的前孢子和前孢子基因，以及在 SigF 和/或 SigG 控制下表达的前孢子基因。 SigE和/或SigE的控制。 或者是在SigK控制下表达的母细胞基因、参与孢子皮层和孢子层形成的基因、以及参与孢子萌发的基因。

属于这些组的基因列表是根据以前的研究和 SubtiWiki 数据库 () 的数据编制的。 在COG数据库中，这些基因的产物形成237个直系同源群（COG）簇。

我们提取了这些孢子形成基因的 COG 植物谱（各自基因组中基因存在与不存在的模式），并根据它们在 76 种孢子生物中的功能和代表性对它们进行了分类。

(1) spo0A。

对当前基因组集的分析证实，主要细胞调节因子 Spo0A 是孢子形成机制的重要组成部分。 事实上，每个经过实验鉴定的厚壁菌门孢子成员的基因组都编码 Spo0A，它的缺失是该生物体无法形成孢子的一个很好的预测指标。 在本研究分析的 180 个物种中，spo0A 基因存在于 118 个物种中，包括所有 76 种孢子体和 40 种孢子体。

这些观察结果证实，spo0A 的存在不足以得出该细菌是孢子增殖者的结论，尽管它的缺失清楚地表明它不是，这与之前在芽孢杆菌、梭菌和丹毒孢子菌中发现 Spo0A 编码的报道一致。

在芽孢杆菌中，我们的收集包括六种 Spo0A 编码的非孢子细菌，全部属于芽孢杆菌目：芽孢杆菌科的 Bacterium lentilum、Kurthia zopfii 和 Plancoccaceae 科的 Antarctic obliquor； 葡萄球菌科、放线菌科、嗜热新芽孢杆菌、芽孢杆菌科、异镰杆菌属的干酪大球菌。

乳杆菌目的 23 个成员中不存在 Spo0A 编码基因组，因此不存在散发因子。 当前版本的 GenBank 包括来自几种肺炎链球菌临床分离株的几个 spo0A 基因，但尚不清楚这些分离株是否被正确分类。

Spo0A 由我们收集的梭菌属 32 个非孢子形成成员中的 42 个和两个孢子形成状态不清楚的成员编码。 在 Negativicutes 的 10 个成员和 Tissierellia 的 0 个成员中，所有 0 个 Spo1A 编码生物都是孢子体。

在丹毒的 7 个代表中，Spo0A 在两种孢子体（C. innocuum 和 E. ramosum）中编码，并且在大多数 Spo118A 基因组中（10 种中的 0 种）携带单个 spo0A 基因，在两种孢子体（肠变形杆菌和 Turicibacter sp.）中编码。 唯一的例外是在梭状芽胞杆菌目中观察到，其中 0 个基因组各含有两个旁系同源 spoA 基因，其中一个，产孢子菌 Anaerostipes hadrus，具有三个 spoA 旁系同源基因。

Spo0A 蛋白的系统发育树（补充材料中的图 S3）仅显示与厚壁菌门基于 16S rRNA 的系统发育的微小偏差：来自同一细菌家族成员的 Spo0A 通常形成不同的进化枝。 在杆菌中，Alicyclobacteriaceae 和 Pneumococcaceae 家族观察到单系，而 Bacilliaceae 和 Bacillaceae 家族成员的 Spo0A 分别形成两个独立的进化枝。

在梭菌属中，Spo0A 似乎是来自梭菌科、Lachnospiraceae（以前称为 Ruminococcaceae 或 Hungateiclostridiaceae）和 Peptostreptoccaceae（Clostridioides difficile 和 Paeniclostridium sordellii）的大多数成员的单系。

在类水平上，来自丹毒属孢子成员的 Spo0A 形成了一个强有力的支持分支，映射在杆菌内，而阴性菌（孢子菌科）和 Tissierella 的成员映射在梭菌分支内。 总之，这些分组与整个厚壁菌门中 spo0A 基因的垂直遗传一致。

来自同一科成员的 Spo0A 的单系性并不取决于它们是来自散发还是非散发起源。 因此，来自 Planococccaceae 所有成员的 Spo0A 形成了一个进化枝，来自 Asporidia Kurthia zopfii 和 Planococcus antarcticus 的 Spo0A 与来自 Planoccal 孢子形成体的 Spo0A 组合在一起。

同样，来自产孢子的 Lachnoclostridium 植物发酵菌的 Spo0A 适合与 Lachnospiraceae 家族的非孢子形成成员组成的进化枝，而来自非产芽孢 Dehalobacter sp 的 Spo0A 则属于一个分支。 CF 菌株与消化球菌科的孢子形成成员作图。

无论其形成孢子的能力如何，编码 Spo0A 的生物体都比 Spo0A 拥有更大的基因组，并且拥有比 Spo0A 更多的孢子形成基因——这是一种广泛孢子形成基因的趋势。

但也含有严格保守的孢子基因以及主要在杆菌中保守的基因（未显示）。 因此，编码 Spo0A 的细菌，无论是否形成孢子，都与其 Spo0A 不同。 − 亲属的孢子基因含量，换句话说，非孢子Spo0A 生物体仍然携带大量孢子基因。

由于先前孢子谱系中孢子基因的逐渐丧失似乎比非孢子生物体获得这些基因的可能性更大，因此这些观察结果可以作为孢子形成古老起源的额外证据。

(2)二氨基苯甲酸乙酯

吡啶二羧酸是二氢吡啶二羧酸合成酶催化二氢吡啶二羧酸氧化产生的关键孢子成分，其两个亚基由 dpaA (spoVFA) 和 dpaB (spoVFB) 编码。 这些在母细胞中表达 σK 控制的基因，在我们基因组集中的芽孢杆菌属成员中，dpaAB 基因对存在于所有孢子体中，并且在几乎所有非孢子体中不存在。

在芽孢杆菌中，这些基因确实充当孢子形成的标记。 dpaAB 基因对也存在于瓜蒌属和丹毒属的两个孢子成员中，而梭状芽孢杆菌中的情况更为复杂。 此前已证明 dpaA 和 dpaB 基因在产气荚膜梭菌、肉毒梭菌和破伤风梭菌中缺失，其中二氢吡啶甲酸氧化是由 etfA-etfB 基因编码的电子转移黄素蛋白催化的。

在其他几种梭菌孢子虫中也观察到了 etfAB 到 dpaAB 的非直系同源转变，包括丙酮丁酸梭菌、嗜金属碱菌、白霉和嗜乙酰氧杆菌，以及阴性菌纲的两种孢子形成代表、需气甲虫和发酵细菌，以及 Tissierella sp。 菌株 JN-28（也称为孢子孢子菌株 NJN-17）是 Tissierella 纲的成员，最后，Gottschalkia Acidurici 不编码 DpaAB 或 EtfAB，表明该生物体中吡啶二羧酸的产生是由另一种目前尚未鉴定的氧化还原酶催化的。

（3）SSPA。

编码α/β型小酸溶性孢子形成蛋白(SASP)的sspA基因的分布在芽孢杆菌和梭状芽胞杆菌之间也存在显着差异。 在杆菌中，sspA 存在于所有孢子体中，而在几乎所有非子孢子中不存在，这使其成为杆菌孢子形成能力的另一个良好标志。

在 Negativicutes、Tissierellia 和 Erysipelotrichia 纲中观察到的情况基本上相同。 在梭状芽胞杆菌中，sspA基因在孢子体和许多非孢子体中都有代表，尽管仅以Spo0A编码，但我们收集的唯一不携带sspA基因的孢子是C. innocuum，它是一种缺乏形成能力的生物体。没有 SspA（或任何其他已知的 SASP；见下文）时的孢子值得进一步研究。

综上所述

对于某些基因，这反映在它们的 y 名称中，但许多具有特定名称的基因仅根据受孢子形成特异性西格玛因子控制的表达时间或作为孢子层的编码蛋白来表征，而它们的生化活性仍然不清楚，例如，孢子成熟蛋白 SpmA 和 SpmB 在除 Planococcaceae 成员之外的所有孢子体中都是保守的，它们参与孢子核心脱水，并且是孢子耐热性所必需的。

参考

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