研究介绍
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研究背景
Background
氢化酶是一种金属酶，被许多细菌、古细菌和微生物真核生物用来消耗和产生氢气。氢化酶现在被认为在环境中普遍存在，在分类学上广泛分布，编码在大多数细菌和古细菌门以及许多单细胞真核生物的基因组中。 人们越来越认识到微生物氢气代谢参与了全球生物地球化学循环，支持不同生态系统的生物多样性，并影响健康和疾病。此外，这些酶有越来越多的工业应用用于开发氢气经济，是设计合成催化剂的灵感来源。 氢化酶有三个进化和功能上不同的超家族：[FeFe]氢化酶，[NiFe]氢化酶，[Fe]氢化酶。
有许多新的古细菌系似乎能够进行氢气代谢，比如 培养 的Asgard archaeon“ Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum”被发现似乎能够通过[NiFe]氢化酶发酵产生氢气。[FeFe] 氢化酶通常起效快，但对氧敏感，以其在专性厌氧菌中的作用而闻名。现在这些酶可以在演化上被分为不同的组（A-D组），基于结构域和基因结构可以进一步被细分。迄今为止，这些酶仅在厌氧细菌和真核生物中被发现，而在培养的古细菌中似乎不存在。一些基因组学研究表明[FeFe]氢化酶可能由 未培养 的DPANN古细菌编码。然而，这仍然值得商榷，因为古细菌似乎缺乏合成[FeFe]氢化酶的H-cluster（据预测，[FeFe] 氢化酶依赖于相同的有机金属辅因子进行催化，即“H-cluster”）所需的三种酶（HydEFG），并且迄今为止，没有证据表明古细菌中的[FeFe]氢化酶活性。
研究目的
Objectives
发现古细菌中的[FeFe]氢化酶。
研究方法
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1、通过检索所有公共数据库中基因组（GTDB）和未发表宏基因组装的基因组数据，系统地分析古细菌中 [FeFe] 氢化酶的多样性。
2、用AlphaFold2来预测古细菌中[FeFe] 氢化酶结构与功能之间的关系，预测能否与[NiFe] 氢化酶形成复合物。
3、蛋白质膜电化学被用来检测酶的活性。
研究发现
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1. 不同的古细菌编码[FeFe]氢化酶
图1系统发育和代谢多样的古细菌编码[FeFe]氢化酶
作者从公开的基因组分类数据库（GTDB）中的 2,339 个古细菌物种群和他们未发表的古细菌宏基因组组装的基因组库中搜索了编码[FeFe]氢化酶的催化亚基HydA的基因。他们发现共有 130 个古细菌基因组（90 个以前报道过的，40 个新的）编码[FeFe]氢化酶，跨越 9 个门类和 17 个类别。这些酶分为6个不同的组，即A1、A3、B以及本研究定义的E、F和 G组。A1组和E组[FeFe] 氢化酶可能是由3个DPANN Iainarchaeota、Micrarchaeota和Nanoarchaeota编码的酶（图1）。这些酶比先前发现的最小的氢化酶Chlamydomonas reinhardtii HydA1（457 个氨基酸）小得多，平均序列分别为 363 和 286 个氨基酸。分布最普遍的氢化酶是A3 组[FeFe]氢化酶（图1）。 在培养的古细菌中，[FeFe]氢化酶仅在Asgard archaea富集培养物中编码。作者在 Ca. P. syntrophicum（图1）和他们最近报道的 Candidatus Lokiarchaeum ossiferum培养物的基因组中检测到了B组[FeFe]氢化酶。作者还对 Candidatus Lokiarchaeum ossiferum进行了转录组和蛋白质组学分析，发现它能够生成含量相对较高的[FeFe]氢化酶。
2. 结构多样的古细菌 [FeFe] 氢化酶
为了更好地了解假定古细菌 [FeFe] 氢化酶的结构和功能，作者使用 AlphaFold2 对代表性[FeFe] 氢化酶进行了结构预测，包括来自UBA95 sp002499405 (Micrarchaeota) 的A1组氢化酶（图2A），Ca. Forterrea multitransposorum的E组氢化酶（图2B），Ca. Prometheoarchaeum syntrophicum的B组氢化酶复合物（图2C）和DSAL01 sp011380095 (Altarchaeota)的A3组氢化酶复合物（图2D）。古细菌 A1 和 E 组[FeFe] 氢化酶是单体酶 (HydA)，预计会折叠成H-cluster结构域，暴露于溶剂的H-cluster（图 2A 和 2B）。每种酶都含有连接H-cluster所需的半胱氨酸残基。因此，这些酶理论上能够进行氢气催化。 Ca. P. syntrophicum B 组 [FeFe] 氢化酶（记为 Ps）预测为HydA 和 HydC 亚基构成的异二聚体；它包含两个 2 × [4Fe-4S] 铁氧还蛋白样结构域，一个用于 H-cluster的电子传递，另一个功能未知（图 2C）。古细菌A3组 [FeFe] 氢化酶形成HydABC三聚体（图2D）。
图2古细菌编码遗传和结构多样的[FeFe]氢化酶
3. 古细菌 [FeFe] 氢化酶具有催化活性
作者测试了Micrarchaeota 和Ca. Iainarchaeum andersoniila 的A1组 (分别记为Mu和la)、Asgard archaea Ca. P. syntrophicum B组 (Ps) 、Nanoarchaeota 和 Ca. Forterrea multitransposorum E组 (Na和Fm) [FeFe] 氢化酶是否结合H-cluster并产生氢气。他们先在大肠杆菌BL21（DE3）中异源表达这些酶，使用化学合成类似物[2Fe]adt在厌氧条件下激活它们，并用气相色谱法测量细胞裂解物的氢气产生量。在所有检测中，表达C. reinhardtii HydA1 的大肠杆菌作为阳性对照，空白载体作为阴性对照（图3A)。结果显示Mu活性最大，Fm、la 和Ps也显示出活性，这些结果为DPANN和Asgard archaea编码功能性[FeFe]氢化酶提供了证据。
图3古细菌A1、B和E组[FeFe]氢化酶具有催化活性
本研究用E组[FeFe]氢化酶Fm作为代表进一步探究这些超简酶的性质。光谱分析表明，该酶在抑制状态下被分离出来，用光还原使它转变为活化状态（图3B）。Fm的催化性能采用蛋白质膜电化学研究。在氢气条件下，Fm显示出与 [FeFe] 氢化酶相关的典型双向催化行为。从还原和氧化电流的比较表明，相对于催化氢气氧化，该酶明显偏向于催化氢气还原（图3C）。总的来说，这些结果表明古细菌单体 [FeFe] 氢化酶在特定环境中结合氧化还原活性H-cluster，介导发酵氢气的产生。
4. 未培养古细菌的[FeFe]与[NiFe]氢化酶复合物
值得注意的是，F组[FeFe]氢化酶似乎能够与[NiFe]氢化酶形成复合物。编码这些复合物的21个基因组来自Bathyarchaeia、Brockarchaeia、Thermoplasmata、Thermoproteia 和 Lokiarchaeia （图1）。它们的特征是[FeFe] 氢化酶C 端催化结构域HydA与和第3组[NiFe] 氢化酶小亚基HyhS同源的N端结构域融合（图4A）。为了确认 F 组[FeFe]氢化酶的催化活性，他们在大肠杆菌BL21(BE3)中异源表达并人工成熟了来自Thermoplasmata SG8-5 的两种 HydA-HyhS 融合蛋白。其中一种酶（Th1）随时间迅速产生氢气，与C. reinhardtii相比，相对活性为 5%（图4D）。相比之下，另一种酶（Th2）仅表现出低水平的活性（图4D）。最后，作者进行了AlphaFold2结构预测，结果表明古细菌编码的 [FeFe] 和 [NiFe] 氢化酶会形成独特的复合物（图4B和4C）。
图4 古细菌[FeFe]和[NiFe]氢化酶预测能形成独特的复合物结构
研究讨论
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研究局限性
1、本研究是基于掺入合成的催化H-cluster，但一些古细菌仍然有可能通过其他途径产生不同的催化簇用于氢气催化，而且大多数古细菌缺乏[FeFe]氢化酶HydEFG。
2、本研究用了半合成激活和异源表达，但它们在天然宿主中的活性有待考察。
3、[FeFe]氢化酶在宿主细胞中的生理功能还未被实验验证。
总结
本研究发现[FeFe]氢化酶由九种古细菌的基因组编码，可以由未培养的DPANN产生，也可以在Asgard archaea培养物中表达。这拓展了我们对于古细菌生物学、古细菌氢化酶的认知、对氢气代谢的理解，对微生物酶在工业中的应用具有启示。同时，这些酶还能作为理解酶促氢气催化的速率决定因素、方向性、亲和性，还有氧气敏感性的模板。这项研究还突出了利用宏基因组学、蛋白质结构预测和异源表达的方法在发现未培养微生物中的新的酶及其功能的潜力。
参考文献
[1] Greening, C., Cabotaje, P. R., Valentin Alvarado, L. E., Leung, P. M., Land, H., Rodrigues-Oliveira, T., Ponce-Toledo, R. I., Senger, M., Klamke, M. A., Milton, M., et al. (2024). Minimal and hybrid hydrogenases are active from archaea. Cell, S0092-8674(24)00573-7. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.05.032
END
文案 | Linsey
排版 | Linsey
审核 | Linsey
发布｜姜笑南
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