2024-12-18
微(wei)生物在地(di)球生態系統中(zhong)扮演著至關重要(yao)的(de)(de)角(jiao)色，能夠推動鐵、砷(shen)等多種元素循環(huan)(huan)活動。近年(nian)來，隨(sui)著高通量測序技術的(de)(de)發展，科學家(jia)們能夠通過注(zhu)釋相關基因和(he)(he)代謝途徑更(geng)深入(ru)地(di)解析微(wei)生物在這些循環(huan)(huan)中(zhong)的(de)(de)具體功能。今(jin)天小編就和(he)(he)大家(jia)從(cong)數據庫(ku)的(de)(de)角(jiao)度上揭(jie)開微(wei)生物參與鐵和(he)(he)砷(shen)循環(huan)(huan)功能的(de)(de)秘密吧！
Fe
鐵(tie)是地(di)球(qiu)上幾乎所有生(sheng)(sheng)(sheng)命體(ti)不(bu)可或缺(que)的(de)微量營養元素。它在(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)體(ti)內(nei)扮演著電子供體(ti)和(he)受(shou)體(ti)的(de)角色，被鐵(tie)氧(yang)(yang)化(hua)和(he)鐵(tie)還原微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)所利用(yong)，并參(can)與到多種(zhong)重要的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)過程中，如光合作用(yong)與呼吸作用(yong)等。盡管鐵(tie)是地(di)殼(ke)中第四大(da)豐富的(de)金屬元素，但由于其容易被氧(yang)(yang)化(hua)和(he)沉淀，這使得在(zai)有氧(yang)(yang)環境中，可被生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)利用(yong)的(de)有效鐵(tie)含量往(wang)往(wang)十分有限，從(cong)而限制了依(yi)賴于鐵(tie)的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)命活動(dong)的(de)發展。
美國南(nan)加州大學洛(luo)杉磯(ji)分校地球(qiu)科學系Arkadiy I. Garber團隊基于細菌(jun)和(he)古(gu)菌(jun)中與鐵(tie)獲取、儲存和(he)還原/氧化相(xiang)(xiang)關的(de)基因(yin)，創建了(le)一個(ge)(ge)隱馬爾(er)可夫模型( HMMs )的(de)綜(zong)合(he)數據庫FeGenie[1]。FeGenie支持輸入基因(yin)組和(he)宏基因(yin)組組裝體(ti)，使(shi)用綜(zong)合(he)HMM數據庫對提供(gong)的(de)數據集進行鐵(tie)相(xiang)(xiang)關基因(yin)和(he)基因(yin)鄰域的(de)注釋(shi)。FeGenie中包括208個(ge)(ge)蛋白家族，12個(ge)(ge)鐵(tie)相(xiang)(xiang)關功能類別，功能類別主要可以歸為鐵(tie)的(de)獲取/轉(zhuan)運、鐵(tie)的(de)儲存、鐵(tie)的(de)基因(yin)調(diao)控、鐵(tie)的(de)氧化還原反應和(he)磁小(xiao)體(ti)的(de)形成五個(ge)(ge)方(fang)面。
微生物鐵代(dai)謝(xie)機(ji)制(zhi)圖
微生物鐵獲取/轉運(yun)途徑機(ji)制圖
FeGenie算法流程概覽
As
砷(shen)是自然界中(zhong)廣泛(fan)存在(zai)的(de)一(yi)種有(you)毒(du)類金屬。微生(sheng)物(wu)介導的(de)砷(shen)代謝在(zai)全球(qiu)砷(shen)生(sheng)物(wu)地(di)球(qiu)化學循(xun)環(huan)中(zhong)扮演著關(guan)鍵角色(se)，極大地(di)改變了(le)(le)砷(shen)的(de)毒(du)性和生(sheng)物(wu)利用度。盡管(guan)宏基因組測(ce)序(xu)技術為(wei)研(yan)究不同(tong)環(huan)境條(tiao)件下微生(sheng)物(wu)群落對砷(shen)的(de)代謝能力提供了(le)(le)有(you)力工具，但由于現(xian)有(you)公共數據庫中(zhong)砷(shen)代謝相(xiang)關(guan)基因家族的(de)覆蓋率(lv)不足且定義(yi)不夠精確，故而(er)準(zhun)確地(di)進行砷(shen)代謝相(xiang)關(guan)的(de)宏基因組分析仍然具有(you)挑(tiao)戰(zhan)性。
浙江大(da)學土水資源與(yu)環境研究所馬斌團隊建立了(le)人工(gong)整(zheng)理的(de)As代謝基因數據(ju)庫(ku)（AsgeneDB），該數據(ju)庫(ku)包(bao)含(han)來自(zi)46門(men)1653個(ge)微生物屬的(de)59個(ge)As代謝基因家族的(de)400242個(ge)代表性序列(lie)[2]。AsgeneDB中功能分(fen)類主要有砷轉運(yun)、五(wu)價(jia)砷呼(hu)吸、五(wu)價(jia)砷還(huan)原、三價(jia)砷氧化(hua)和砷甲(jia)基化(hua)。與(yu)其他數據(ju)庫(ku)相比(bi)，AsgeneDB提供(gong)了(le)更準確、更全面、更快速的(de)As代謝基因分(fen)析(xi)。
AsgeneDB框(kuang)架(jia)示意圖
AsgeneDB中As代(dai)謝(xie)基(ji)因(yin)家(jia)族總覽(lan)及與其(qi)他公共同源數據(ju)庫的(de)比較
派(pai)森(sen)諾宏基因組生(sheng)物地球化學循環(huan)分(fen)析功能基因集包含FeGenie和AsgeneDB數據庫內(nei)容，并(bing)且面向(xiang)關鍵的價態變化針對性制作循環圖！
鐵價態變(bian)化(hua)循(xun)環圖（左）、砷(shen)價態變(bian)化(hua)循(xun)環圖（右）
通過物種(zhong)-功能貢(gong)獻度分析挖掘到底(di)樣本中哪(na)些微生物具(ju)有鐵氧化/還原或者(zhe)砷(shen)氧化/還原的功能。
物(wu)種-功能貢獻(xian)度堆(dui)積柱形圖(tu)（左）與桑基圖(tu)（右）
更多(duo)功能基因(yin)子(zi)庫（碳、氮、磷、硫(liu)、鐵(tie)、砷(shen)、汞、硒元素循環，氧(yang)化磷酸化和(he)中心代謝）和更多專項分析(xi)內容(rong)盡(jin)在派森諾宏基因組生物(wu)地球化學(xue)循環分析，快和(he)當地銷售(shou)經(jing)理洽談或撥(bo)打咨詢(xun)電話021-80118168解鎖吧！
參考文獻
[1]Garber AI, Nealson KH, Okamoto A, McAllister SM, Chan CS, Barco RA, Merino N. FeGenie: A Comprehensive Tool for the Identification of Iron Genes and Iron Gene Neighborhoods in Genome and Metagenome Assemblies. Front Microbiol. 2020 Jan 31;11:37. doi: 10.3389/fmicb.2020.00037. PMID: 32082281; PMCID: PMC7005843.
[2]Song X, Li Y, Stirling E, Zhao K, Wang B, Zhu Y, Luo Y, Xu J, Ma B. AsgeneDB: a curated orthology arsenic metabolism gene database and computational tool for metagenome annotation. NAR Genom Bioinform. 2022 Nov 1;4(4):lqac080. doi: 10.1093/nargab/lqac080. Erratum in: NAR Genom Bioinform. 2022 Dec 09;4(4):lqac094. doi: 10.1093/nargab/lqac094. PMID: 36330044; PMCID: PMC9623898.
