山东大学海洋研究院，山东大学海洋研究院考研
由裂解性多糖单加氧酶(LPMO)引发的几丁质氧化降解有助于结晶几丁质的微生物生物转化，结晶几丁质是自然界第二丰富的生物聚合物。然而，对LPMO之外的氧化几丁质利用途径的了解非常有限。
2022年10月6日，山东大学张玉忠及李平一共同通讯在Nature Communications发表题为“A pathway for chitin oxidation in marine bacteria”的研究论文，该研究描述了一种海洋细菌Pseudoalteromonas prydzensis 中氧化几丁质降解的完整途径及其调控。
该途径始于LPMO介导的几丁质胞外分解为c1氧化的壳寡糖，其携带末端2-(乙酰氨基)−2-脱氧-d -葡萄糖酸(GlcNAc1A)。氧化壳寡糖的跨膜转运，随后在胞质中水解，释放GlcNAc1A，在细胞质中分解。这一途径不同于已知的水解几丁质利用途径的酶、转运蛋白和调节剂。特别是，GlcNAc1A通过一系列类似于d -氨基酸而不是其他单糖降解的反应，转化为2-酮-3-脱氧葡萄糖酸6-磷酸盐、乙酸酯和NH3。此外，基因组和宏基因组分析表明，几丁质氧化利用途径可能普遍存在于海洋γ变形菌门。
几丁质是β-1,4连接的N-乙酰基-D-葡萄糖胺(GlcNAc)的不溶性线性多糖，是仅次于纤维素的第二丰富的天然生物聚合物。海洋细菌驱动的几丁质降解和再循环对于海洋中碳和氮的生物地球化学循环至关重要。几丁质可以通过两种途径被细菌降解，其中一种是由几丁质酶启动的水解几丁质利用途径，这一途径已经确立。相比之下，由裂解多糖单加氧酶(LPMO)引发的氧化几丁质利用途径的研究仍然很少。
LPMO是铜依赖性酶，可氧化结晶多糖的表面以产生“缺口”，从而使经典水解酶更有效地解聚复杂的生物质。目前对后一种途径的研究主要集中在LPMO的功能鉴定和阐明其潜在催化机制上。在CAZY数据库中,几丁质活性LPMO分为三个辅助活性家族AA10、AA11和AA15，其中大部分特征序列属于AA10家族。后一种途径的一个标志是，所有具有几丁质活性的LPMO只能氧化几丁质中糖苷键的C1碳，并产生具有末端氧化糖2-(乙酰氨基)-2-脱氧-D-葡萄糖酸的壳寡糖。
迄今为止，氧化的壳寡糖如何随后被几丁质利用者降解仍然未知。据推测，氧化的壳寡糖最终将通过尚未鉴定的糖苷水解酶(GHs)转化为单糖GlcNAc和GlcNAc1A，这种方式类似于纤维素的氧化降解。GlcNAc1A是一种来自LPMO依赖途径的独特氧化产物，在化学结构和电荷方面，与GlcNAc相比，它更类似于N-乙酰基-D-氨基酸。因此，很容易推测细菌可能通过与GlcNAc不同的途径分解代谢GlcNAc1A。
假交替单胞菌属的细菌完全来源于海洋，它们广泛分布在从地表水到深海沉积物的全球海洋环境中。据报道，一些假交替单胞菌菌株是几丁质分解的，因为它们的基因组中存在三基因几丁质降解簇(cdc)，编码两种GH18几丁质酶（ChiA和ChiC）和一种AA10 LPMO。尽管尚未进行生化表征，但在迄今为止描述的所有几丁质分解假单胞菌菌株中都发现了LPMOs。因此，假设在假交替单胞菌菌株中可能存在代谢几丁质氧化LPMO产物的途径。事实上，在这项研究中，发现几种分解几丁质的假单胞菌菌株能够利用GlcNAc1A，这是氧化几丁质利用途径的标志性中间体。
在这里，研究者展示了海洋细菌Pseudoalteromonas prydzensis ACAM 620采用的氧化几丁质降解的完整途径，其中GlcNAc1A通过类似于N-乙酰基-D-氨基酸利用的方式进行分解代谢。基于基因组和宏基因组分析，这种氧化几丁质利用途径在海洋γ变形菌中普遍存在。
GlcNAc1A、GlcNAc、N-乙酰基-D-丝氨酸的分解代谢途径（图源自Nature Communications ）
总之，通过转录组学、蛋白质组学、遗传和生化分析，本研究揭示了Pseudoalteromonas prydzensis ACAM 620中完整的氧化几丁质利用途径。该途径存在于许多海洋γ变形菌中，可增强细菌对结晶几丁质的降解，突出了这些细菌在海洋环境中结晶几丁质初始降解中的重要性。
参考消息：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33566-5
山东大学海洋研究院(山东大学海洋研究院考研)
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