综述 | Science：群落中微生物通过共享维生素进行相互作用
编译：陈佩佩，编辑：小菌菌、江舜尧。
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微生物群落在地球生化循环与代谢过程中起到至关重要的作用。这些群落的组成和功能的基础是个体间的营养相互依赖。其中一类营养物质，钴胺类（包括维生素B12的酶辅因子家族）被广泛用于多种微生物代谢功能，但这些结构多样的辅因子仅由一部分细菌和古生菌合成。不同规模的研究——从单个的分离物到合成的联合体，再到复杂的群落——使人们对钴酰胺的共享有了更深入的了解。在这里，本文将讨论钴酰胺如何在这三个层面上影响微生物，以及如何整合不同的方法，从而更全面地了解微生物相互作用。
论文ID
原名：Sharing vitamins: Cobamides unveil microbial interactions
译名：共享（营养物质）维生素，钴酰胺揭示群落中微生物的相互作用
期刊： Science
IF：41.063
时间：2020年6月3日
通讯作者：Michiko E. Taga
通讯作者单位：美国加利福尼亚大学植物与微生物生物学系
综述框架
主要内容
1、背景介绍
微生物群落存在于地球上所有的环境中。它们影响生物地球化学循环，调节宏观宿主的健康，并被用来生产人类感兴趣的化合物。为了了解和潜在地以有益的方式操纵微生物群落，科学家们正在积极研究塑造群落组合、组成和恢复力的机制。微生物群落由上千种成员组成，它们在分子水平上相互作用。微生物群落中存在一种相互作用是营养共享模式，即一种物种产生另一个物种需要的代谢物。那些不能产生所需的代谢物的微生物群落，它们依赖于其他群落成员来获取必需的营养物质，如氨基酸、碱基或维生素。由于营养缺陷的普遍存在，微生物之间的营养共享被认为是微生物群落结构的重要驱动力。
在许多共同的营养素中，钴酰胺，一个结构多样的辅因子家族，其中钴胺素（维生素B12）是最广为认可的（图1）。钴胺素以其作为人类必需的微量营养素而闻名。许多微生物使用钴胺素和其他钴酰胺进行多种代谢功能。钴酰胺有助于对环境产生影响的过程，包括产甲烷、生产有毒甲基汞和净化受污染的湖水。更常见的是，微生物利用钴酰胺进行初级和次级代谢，如各种碳源的分解代谢、核苷酸生物合成和天然产物生物合成。因此，钴酰胺在许多微生物环境中都很重要，包括人类肠道和海洋栖息地。此外，大多数使用钴酰胺的有机体依赖其他物种来获得这些辅因子，因为钴酰胺只由细菌和古生菌的一个子集产生。这导致了基于钴酰胺共享的微生物相互作用。在这篇综述中，描述了研究钴酰胺作为共享营养物的生物学作用的方法，强调了最近关于钴酰胺相互作用的显著发现，并讨论了将钴酰胺作为模型系统在微生物学领域的挑战和机遇。
2、钴酰胺作为研究微生物相互作用的模型营养素
钴酰胺的化学多样性使其区别于其他维生素和大多数共享的营养素，使其在微生物相互作用的背景下特别有趣。钴酰胺是一个由十几个酶辅因子组成的家族，这些辅因子都包含一个由环包围的化学反应性钴离子，但是这些辅因子在共价连接的低配体的特性上有所不同（图1A）。钴酰胺根据其较低配体的结构分为三个化学类别：苯并咪唑基、嘌呤基和酚酰钴酰胺（分别与苯并咪唑、嘌呤和酚类化合物一起称为低配体）（图1B）。低配位体的结构多样性很重要，因为在大多数情况下，钴酰胺依赖的代谢是根据较低的配体结构而变化的，并且支持不同生物体生长或酶活性的钴酰胺组是不同的。例如，Dehalococcoidesmccartyi可以用几种苯并咪唑基钴酰胺呼吸氯化溶剂，但不能用酚酰钴酰胺呼吸，而Sporomusaovata需要酚酰钴酰胺在多个碳源上生长，其生长被苯并咪唑钴酰胺抑制。此外，已知有一种细菌能合成去甲酰胺，其在连接体区域缺少甲基（图1A，红色星号）；这种修饰对生理学的影响仅在有限的范围内被探索。虽然比较不同钴酰胺对微生物代谢影响的研究相对较少，但很明显，在微生物相互作用的背景下，生物体的钴酰胺选择性是重要的，将这篇综述中阐明。
与其他在营养共享相互作用中研究的代谢物一样，钴酰胺被认为是普遍共享的（因为使用钴酰胺的许多生物体不会产生它们），并且具有良好特性的生物合成途径，可用于预测天然系统中的钴酰胺介导的相互作用。使用钴酰胺模型进行营养共享有一些技术上的好处。例如，与氨基酸、核苷酸和大多数维生素不同，钴酰胺具有独特的光谱特征，使其易于识别，并提供与功能有关的化学和构象状态的信息。作为催化辅因子，钴酰胺在相对较低的外部浓度下是有效的，与并入生物量的营养素相比。因此，即使是很小浓度的钴酰胺也能显著影响微生物的生长。此外，由于低配基结构的变化而产生的功能多样性使钴酰胺不仅适合营养共享，而且适合于各种类型的微生物相互作用。例如，酚酰钴酰胺类化合物对D.mccarty生长的抑制作用可以构成一种类似于抗菌化合物介导的竞争动力学的拮抗作用。基于钴酰胺的伙伴关系是基于微生物产生和使用特定结构变体的能力而形成的，正如基于共享特定有机酸或碳水化合物的相互作用的情况一样。一般来说，钴酰胺是研究生物体如何进化和适应有价值代谢物结构变化的一个相关模型系统，这也与结构多样的次生代谢物如铁载体的研究。由于连接了不同种类代谢物的特性，钴酰胺是研究微生物相互作用的一种有效和通用的模型。
3、钴酰胺在分子和组织水平上的选择性
钴酰胺以特定结构的方式调节微生物的生长和代谢，这是钴酰胺选择性的基础。迄今为止，几乎所有被测试使用不同钴酰胺的生物都表现出了钴酰胺的选择性，包括细菌和真核生物。因此，了解钴酰胺不同影响代谢的机制对于阐明这些辅因子在微生物相互作用中的作用至关重要。许多分子因素被认为有助于钴酰胺依赖性微生物的生长，包括钴酰胺依赖性酶的选择性，不同的钴酰胺输入，以及钴酰胺特异性基因调控反应。这些因素中的每一个在多大程度上是依赖于钴酰胺的生长的决定因素，目前还不清楚。
钴酰胺依赖性酶对特定钴酰胺辅因子的生物化学选择性被假设是依赖于钴酰胺生长的主要决定因素。较低的配体选择性已在两种酶中进行了初步研究：还原性脱卤酶，一类细菌钴酰胺依赖性酶，可降解干洗行业的有毒卤化副产品，以及甲基丙二酰酶A（CoA）变位酶，一种与丙酸代谢有关的酶，广泛存在于细菌中，保存在人类体内。在多个甲基丙二酰辅酶同源物中，较低的配体结构调节了钴酰胺辅因子的结合亲和力，并且在产生不同钴酰胺的细菌的直系同源物之间的选择性不同。值得注意的是，来自Sinorhizobiummeliloti的甲基丙二酰辅酶A-CoA的钴酰胺结合选择性主要反映在依赖于钴酰胺的条件下草木犀的差异生长中。尽管低配位体结构也实质上影响还原脱卤酶活性，但与不同钴酰胺结合的还原性脱卤酶晶体结构并未揭示蛋白质残基与可介导选择性的较低配体之间的原子相互作用。很可能蛋白质折叠或辅因子装载等过程对较低的配体结构敏感。与这种可能性相一致的是，除了结合选择性之外，其他因素也可能在甲基丙二酰辅酶A-CoA代谢中促进钴酰胺依赖性生长。
不同种类的钴酰胺对基因表达的影响也会影响组织的钴酰胺选择性。虽然代谢基因的表达通常由转录因子调节，但与钴酰胺代谢有关的基因在细菌中的主要调控机制是核糖开关，核糖开关是位于mRNAs的5’-非翻译区内的结构元件，直接与钴酰胺结合并影响下游基因的表达。在识别氨基酸、核苷酸、黄素和各种细菌信号分子变体的核糖开关中，已经证明了区分结构相似配体的能力。因此，钴酰胺反应的核糖开关也有可能识别出钴酰胺之间的微小结构差异。为了支持这一假设，体外研究发现RNA-钴胺酰胺的相互作用在较低的配体结构上有轻微的变化。在核糖开关中找到选择性编码序列将使研究人员能够将对不同钴酰胺的基因调控反应整合到细菌基因组产生的功能预测中。
第三个可能有助于观察到的生物体对钴酰胺的选择性的因素是钴酰胺的吸收。虽然在Escherichia coli和Vibrio cholerae中，模型钴胺素进口商BtuBFCD不需要存在较低的配体。遗传学研究表明，三种不同的BtuB同源物在不同的钴酰胺存在下具有明显的竞争优势，这表明Bacteroidesthetaiotaomicron可能优先进口特定的钴酰胺。而且, 一些生物还没有确定钴酰胺的输入者或与钴蛋白摄取有关的非经典蛋白质，因此选择性输入钴酰胺对细菌生理学的总体贡献仍有待探索。整合生物化学和生理学的运输、调节和依赖于钴酰胺的酶的研究将提高我们对钴酰胺在微生物群落中共享的机制的理解。此外，从基因组推断钴酰胺共享相互作用的能力需要预测从基因组序列中选择钴酰胺仍然是一个主要的挑战。
4、实验室共培养中钴酰胺介导的相互作用
两种或两种以上生物的培养物通常用于在实验室研究营养共享的机制和动力学。除了实验证明微生物共享钴酰胺外，共培养还提供了一个易于操作的系统来研究钴酰胺介导的微生物相互作用的机制，很难从整体上分离群落。本文强调来自三个不同栖息地的共培养系统，这些系统体现了钴酰胺共享的细微差别：涉及钴酰胺的不同类型的相互作用，微生物相互作用中酰胺选择性的重要性，以及钴酰胺可用性的代谢结果。长期以来，钴酰胺共享相互作用的模型是藻-菌共生共培养，在这种共培养中，细菌通过交换藻类中的固定碳来产生钴胺素。这些系统使研究营养共享机制和营养不良进化成为可能。例如，在含有Lobomonasrostrata和细菌Mesorhizobium loti的共培养中，在研究的实验条件下，钴酰胺的共享对于两种生物的生长是必不可少的（图2A）。如果将钴胺素或固定碳源添加到共培养中，两种物种在共培养的连续转移中的稳定比率被破坏。近年来，新的合成联盟扩大了我们对自然界中可能发生的营养共享关系类型的理解。例如，藻菌共生也可以基于双向共享多种维生素B。因此，模拟各种营养相互作用的实验室共培养可用于探索营养共享的基本原理，包括相互作用如何因共享化合物的性质而不同。
钴酰胺共享微生物联合会也对钴酰胺选择性在钴酰胺共享中的作用提供了有价值的见解。例如，捕食性变形虫LPG3需要蓝藻猎物和细菌共分离物来满足其营养需求。利用三体培养和分子遗传学模型，发现第二种细菌对制造钴胺素特别重要，因为变形虫不能使用蓝藻产生的假钴胺素（一种以腺嘌呤为较低配体的钴酰胺）。此外，V.cholerae可以满足变形虫对钴胺素的需求，这种细菌不能从头合成钴胺素，但通过钴酰胺重塑将假钴胺素转化为钴胺素，这是一个涉及去除和替换较低配体的过程（图2B）。
5、群落水平上的钴酰胺生物学
基因组学方法在说明微生物群落中钴酰胺共享的普遍性方面是非常有效的。钴酰胺的生物合成需要多达30个基因，具有很好的特性，易于在基因组中鉴定，并且可以通过基因含量预测苯并咪唑基和酚酰钴酰胺的产生。与低配体生物合成、转运和钴酰胺依赖代谢相关的其他基因的发现，继续完善我们对钴酰胺生物学功能预测的能力。对所有已测序的细菌和特定环境中的群落进行的基因组研究估计，58%到69%的细菌不能从头产生钴胺，但高达86%的细菌使用钴酰胺（钴酰胺的使用取决于至少存在一种钴酰胺依赖性酶或输入者）（图3）；这些数据构成了广泛共享钴酰胺的基因组证据。除细菌外，许多真核微生物还使用钴胺类；大多数有核海藻的钴胺素依赖蛋氨酸合成酶，而对于大约50%的藻类物种来说，钴胺素对生长是必不可少的。值得注意的是，产生钴胺所需的基因以及使用它们的酶家族在细菌和古细菌中分布不均。例如，在不同的生境中，96%的拟杆菌物种预计会使用但不会使用产生钴酰胺。这表明某些分类群倾向于在它们各自的栖息地向其他分类群提供钴胺。
在纯培养中，细菌对特定的钴酰胺有不同和不同的生长反应，加上预测大多数细菌使用钴酰胺，这启发了钴酰胺可用于控制微生物群落组成的想法。几个小组已经验证了这样一个假设，即在一个群落中添加钴胺素可以改变其微生物组成，但具有不同低配位体的钴酰胺对群落的影响还没有被探索，这可能是因为除钴胺素以外的钴酰胺还没有商业化。对小鼠和实验室从人类肠道、地下水和海水中富集的群落进行的研究表明，添加钴胺素可导致群落组成、类胡萝卜素组成的变化，以及钴酰胺解救和钴酰胺依赖基因的表达。有限的采样和微生物群落的复杂性使得很难建立特定群落成员对特定扰动的生长和代谢反应的机械模型。然而，这些结果显示了钴酰胺调节群落的潜力。
6、关于钴酰胺共享的公开问题和微生物领域的挑战
6.1 认识环境对钴酰胺生物学的影响
一个生物体在其自然栖息地中的化学环境可以改变其生理相对在实验室环境中观察到的情况（图4）。细菌可以在不同的环境中合成不同的钴酰胺，因为低配基的加入不仅取决于生物合成酶的选择性，而且还取决于外源低配体碱的可用性。在几种环境中检测到了游离的低配体碱基：在淡水、土壤和瘤胃液中检测到了二甲基苯并咪唑[（DMB），钴胺素的下配体]；海洋细菌产生了一种DMB的活化形式α-利巴唑。当DMB添加到培养基中时，S.ovata和Sulfurospirillum multivorans等分别产生酚酰和嘌呤基钴酰胺的生物体会合成钴胺，从而导致生长抑制。当DMB可用时，其他有机体也能将次优的钴胺重塑为钴胺素，包括D.mccartyi和V. cholerae（图2B）以及Pavlovalutheri。
除了较低的配体碱基外，其他钴酰胺前体的存在也会影响钴酰胺的生物合成。有些生物体有部分的钴酰胺生物合成途径，只有在有合适的前体存在时才能产生钴酰胺（图4）。例如，人类肠道病原体C.difficile需要早期的钴酰胺前体5-氨基乙酰丙酸（ALA）来产生钴酰胺。
细胞外环境中的钴酰胺也可以通过调节生物体内钴酰胺相关途径的表达来影响原位代谢。在某些情况下，细菌对钴酰胺的基因调控反应可以从序列中预测出来。当与钴胺素一起培养时，Propionibacteriumacnes下调了钴酰胺的生物合成基因，这可以根据生物合成操纵子中一氧化碳核糖开关的存在来预测（图4）。值得注意的是，这种表型在P.acnes的自然栖息地——服用钴胺素补充剂的个体的皮肤上——得以复制，这支持了一种观点，即可以对自然系统进行功能预测。
6.2 了解钴酰胺共享的直接和间接影响
钴酰胺不仅通过依赖于钴酰胺的代谢，而且通过由钴酰胺依赖性反应引起的代谢网络的变化来调节微生物之间的相互作用。关于钴酰胺依赖性反应产物可能对新陈代谢产生下游影响的观点在前面以A.muciniphila为例进行了强调（图2C）。此外，不直接需要钴酰胺的代谢途径会受到钴酰胺依赖性反应的影响。例如，依赖于钴胺素的甲硫氨酸合成与人体叶酸循环密切相关，因此缺乏钴胺素会导致叶酸库失衡，从而影响不直接依赖钴胺素的嘌呤合成等途径。因此，在人类中，钴胺素缺乏会导致复杂和潜在的严重疾病包括贫血和神经系统疾病。在微生物代谢网络中发现了类似的钴胺代谢途径和其他代谢途径之间的联系，但在微生物中的研究比在人类中研究的少。因此，预测基于钴酰胺的相互作用可能不仅需要考虑到钴酰胺本身的共享，还需要考虑到由于钴酰胺催化反应而导致的生物体（或潜在的整个群落）代谢图的变化。
6.3 钴酰胺生理的原位研究
实验室实验限制了他们精确模拟环境条件的能力以及与培养微生物相关的挑战。除了元基因组学之外，元转录组学、元蛋白质组学和代谢组学等工具也可以帮助原位研究钴酰胺的相互作用。最近开发的基于钴胺素的化学探针已经被用来观察钴胺素从E.coli转移到其Caenorhabditis elegans的过程，并捕捉到以前在细菌和真核生物中与钴胺素相互作用的蛋白。这些问题可能使研究人员能够可视化钴酰胺是如何在原位被使用和共享的，这可能有助于验证序列预测的表型。此外，具有催化活性的化学类似物钴酰胺（抗维生素）（118-C121）可能通过抑制钴酰胺依赖的酶来干扰群落。开发和应用这些工具在复杂的社区中使用，可以成为在社区水平上研究钴酰胺生物学机制的一种途径。
原位研究钴酰胺相互作用也可以解决空间结构在微生物相互作用中的重要性。来自同一环境样本的两个生物体可能会或可能不能相互作用。因此，未来微生物相互作用的预测应考虑微生物的空间分布。与其他共享营养素不同，在天然或合成的钴酰胺共享系统中，很少有关于空间限制的研究。在这方面可能是有用的，正如最近开发的用于研究蛋白质、小分子和金属在其他系统中的空间分布的技术的应用一样。
7、未来展望
聚焦于一类共享的营养物质——钴酰胺——跨越多个尺度，使得研究人员开始剖析形成微生物群落的分子相互作用。发现的好处之一是微生物相互作用的细节是在基础研究或环境、健康相关或工业应用中破坏这些相互作用的潜在机会。由于其结构和功能的多样性，钴酰胺构成了操纵微生物代谢和生长的天然工具，而钴酰胺在细菌领域的广泛应用使其成为调节群落组成和功能的有希望的候选药物。无论是作为干扰群落的工具，还是作为探索微生物相互作用本质基本问题的模型系统，钴酰胺都是微生物生命的复杂性和细微差别的例证。
图5 钴酰胺作为研究微生物相互作用的模型。钴酰胺是一类用于多种代谢功能的酶辅因子。它们包含一个催化上配体（R）和一个影响生物体新陈代谢和生长的结构可变区（蓝色、红色或绿色）。从酶到微生物群落的多尺度生物学研究表明，钴酰胺是研究微生物相互作用复杂性的有效模型体系。
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