近日，我院何永兴教授联合美国奥克拉荷马大学周集中教授与安徽大学张楠楠副教授在国际微生物学权威期刊《The ISME Journal》（Nature Index 收录期刊，2022年影响因子：11.217）发表了题为“Functional and structural diversification of incomplete phosphotransferase system in cellulose-degrading clostridia”的研究论文。该论文结合基因组大数据挖掘、多组学及结构生物学方法，系统的探讨了微生物调控碳水化合物摄取的多样性机制。

碳水化合物的摄取对微生物的生存至关重要，也对微生物群落多样性具有决定性意义。磷转移酶系统（PTS）广泛存在于微生物中，一般由七个组分构成，通过磷酸级联反应调节碳水化合物的摄取，但目前对PTS系统在非模式微生物中的功能和多样性还缺乏系统性认识。本研究对来自4293种微生物的近15000个基因组进行了大规模基因组挖掘，发现74%的微生物并不具有完整PTS系统，而且PTS系统的完整程度与微生物的进化谱系无关（图1）。随后，作者选择纤维素降解梭菌为代表，探究不完整的PTS系统在调控碳水化合物摄取过程中的功能和作用机制。

图1. 微生物中PTS系统的组成及多样性

与具有完整PTS系统的大肠杆菌不同，纤维素降解梭菌的PTS系统缺失了单糖转运复合体EII。在对混合碳源的利用方面，纤维素降解梭菌表现出与大肠杆菌截然不同的方式：纤维素降解梭菌能同时利用纤维素、木糖、阿拉伯糖和葡萄糖等多种碳源，而大肠杆菌对葡萄糖表现出很强的偏好性，只能优先利用葡萄糖。纤维素降解梭菌的这种独特的碳源利用方式与其不完整的PTS系统有关：一方面，虽然缺乏转运单糖的EII复合体，纤维素降解梭菌编码多组ABC转运蛋白，负责摄取各种二糖和寡糖；另一方面，纤维素降解梭菌中的HPr蛋白与大肠杆菌中的同源蛋白不同，无法与转录因子CcpA形成复合体（图2），因此无法通过感知胞内的葡萄糖浓度来抑制其他糖转运蛋白的表达。这暗示环境中的碳水化合物成分的不同塑造了微生物中PTS系统的多样性，而不同类型的PTS系统赋予微生物不同的摄取碳水化合物的策略，对微生物群落的形成和稳定性具有重要意义。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41396-023-01392-2

图2. 纤维素降解梭菌中Hpr蛋白与CcpA蛋白互做的结构生物学基础