沈锡辉教授团队在瘤胃微生物种间交流机制研究中取得新进展

2022年10月7日，微生物组学顶级期刊《Microbiome》在线发表了西北农林科技大学生命科学学院沈锡辉教授团队题为“Exploring AI-2-mediated interspecies communications within rumen microbial communities”的研究论文，揭示了瘤胃微生物菌群的群体感应信号分子合成酶及受体基因的分布和表达规律，并构建了群体感应分子介导的瘤胃微生物种间交流网络。生命科学学院博士生刘孝珍、刘钦萌为本论文共同第一作者，张磊教授和沈锡辉教授为本论文的共同通讯作者。

群体感应(quorum sensing，QS)是细菌种内和种间细胞间交流的普遍机制，通过合成和分泌称为自诱导物(autoinducer)的信号分子监测细菌群体密度的变化，协调细菌的群体行为。QS信号分子autoinducer-2 (AI-2)广泛存在于细菌中，既能介导种内交流，又能介导种间交流，被称为“细菌的世界语”，但人们对细菌如何感知该QS信号知之甚少。2020年10月该课题组发现原核生物(包括细菌和古菌)通过一类具dCACHE结构域的跨膜信号转导蛋白感知AI-2信号实现异种细胞间对话的新机制(Zhang et al., Nature Communications, 2020)。

反刍动物的瘤胃是一个天然发酵体系，依赖其中存在的大量不同种类的厌氧微生物联合作用对木质纤维素进行降解和利用。目前对瘤胃微生物菌群的种间交流及协同作用机制知之甚少。本研究对数据库中已有的瘤胃细菌完整基因组信息进行分析，发现QS合成酶基因存在于绝大多数瘤胃细菌中，尤其是AI-2合成酶基因存在于一半以上瘤胃细菌中，而AI-2受体编码基因存在于超过1/3以上瘤胃细菌中，且尚有大量潜在AI-2受体编码基因有待进一步发掘。宏转录组分析发现瘤胃优势菌群中AI-2合成酶和受体基因均能高水平表达，表明AI-2介导的种间交流在瘤胃微生态系统中广泛发生。瘤胃细菌中的dCACHE型AI-2受体包括甲基化趋化受体、组氨酸激酶、c-di-GMP合成与水解酶、丝氨酸磷酸酶、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶等跨膜信号转导蛋白，表明AI-2信号可以调控瘤胃菌群的各种重要生理功能和群体行为。基于以上发现，我们进一步构建了AI-2介导的瘤胃微生物种间交流网络。本研究极大促进了对瘤胃微生态系统微生物种间交流机制的认识，也为研究其他生境微生物群落成员之间的交流与协作机制提供重要参考。

文章链接：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-022-01367-z