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发布人:武汉佰乐博生物技术有限公司
发布日期:2024/8/23 14:34:45
在生物科学的浩瀚海洋中,每一次的探索都可能带来令人震惊的发现。近日,一项关于定鞭金藻(Prymnesium parvum,又名小土栖藻)的研究,揭示了一种名为“PKZILLA”的巨型聚酮合酶基因。这种基因编码的蛋白质约4.5万个氨基酸组成,质量约为4.7兆道尔顿,超越了人类体内最大的蛋白质——肌联蛋白(Titin),PKZILLA成为目前已知生物体中最大的蛋白质。这一惊人的科学发现,不仅刷新了我们对蛋白质大小极限的认知,也开启了海洋生物学研究的新篇章。
什么是定鞭金藻?
定鞭金藻(Prymnesium parvum)为单细胞,具有两个鞭毛,细胞体呈椭圆形,表面覆盖有硅质鳞片。细胞内部含有一个或多个叶绿体,能够进行光合作用。
图1 定鞭金藻结构图
定鞭金藻作为海洋和淡水生态系统中的关键成员,是全球有害藻华的主要成因之一。主要生活在淡水中,但在某些情况下也能在半咸水或咸水中生存。定鞭金藻对环境条件有较强的适应性,能够在营养丰富的水域中迅速繁殖。
生产毒素的罪魁祸首
研究发现,定鞭金藻(Prymnesium parvum)能够产生一系列复杂的多醚毒素,包括溶血毒素prymnesin-1和prymnesin-B1,这些毒素不仅导致大规模的鱼类死亡,还对海洋生物多样性和食物链产生深远影响。Prymnesin-1的长度为90个碳原子,与其他大量微藻聚酮化合物生物毒素一起,如palytoxin和maitotoxin,它们是自然界中最大的非聚合碳链分子,除了对生态系统的破坏,巨型聚醚毒素(prymnesins)也对人类健康构成潜在威胁,通过食物链的生物积累,这些毒素可能影响人类的食品安全,引发神经系统疾病,甚至导致中毒事件。
图2 历史上主要的P. parvum出现地和prymnesin-1结构图编辑
定鞭金藻作为海洋和淡水生态系统中的关键成员,是全球有害藻华的主要成因之一。主要生活在淡水中,但在某些情况下也能在半咸水或咸水中生存。定鞭金藻对环境条件有较强的适应性,能够在营养丰富的水域中迅速繁殖。
发现Prymnesium parvum的主要结构
研究团队对P. parvum的基因组进行了深度测序和组装,以识别和注释与聚酮化合物合酶(PKS)相关的基因。但是测序结果并不理想,没有检测到合适的PKS基因,说明PKS基因并不仅仅是研究人员所预测的大小,于是研究团队选取了一种最保险也是最麻烦的办法,首先在自动基因注释中对可能参与PKZILLA-1生物合成的PKS基因进行了分类,确定了44个PKS基因,将检测错误的部分通过人工修改,数据库手动组装运行这种潜在的PKS基因片段。
最终研究人员先后发现了PKZILLA-1和PKZILLA-2两组基因,这两组基因分散在整个序列中,分别编码了470万和320万道尔顿的巨型酶,各自具有140个和99个酶域。PKZILLA-1和PKZILLA-2是负责溶血毒素Prymnesin-1骨架合成的关键酶。上述结果证实了PKZILLA-1和-2转录物会翻译成蛋白质,并且每个基因只有一个翻译产物。
图3 PKZILLAs的基因组、转录组和蛋白质组证据
PKZILLA是否能表达蛋白?
为了进一步验证PKZILLA-1和PKZILLA-2基因在活细胞中是否能够表达为蛋白质,研究团队首先获取了冻干处理的Prymnesium parvum藻类样本,随后使用特定的酶将藻类中的蛋白质分解为更小的肽段。这一过程,称为蛋白酶解,能够将复杂的蛋白质结构转化为更易于分析的碎片。
接下来,研究者对这些肽段进行了深度测序,以确定它们的氨基酸序列。通过对序列数据的分析,研究者发现至少75%的PKZILLA-1和76%的PKZILLA-2基因编码的氨基酸序列在藻类的蛋白质组中得到了表达,这表明这两个基因在活细胞中确实能够转化为蛋白质。
图4 PKZILLA PKS模块与所提出的prymnesin生物合成前体的对比
尽管这种方法能够作为PKZILLA基因表达为蛋白质的强有力证据,但研究者也指出,它并不能直接证实PKZILLA蛋白是否以完整的大型分子形式存在。蛋白质的完整结构对于其功能至关重要,因此,即使测序结果显示了大部分序列的表达,也不能完全排除蛋白质在合成过程中可能经历了剪切或修饰的情况。此外,研究者也承认,即使PKZILLA基因能够编码蛋白质,这些蛋白质可能仍然需要与其他酶或蛋白质复合体相互作用,才能完成prymnesin等复杂化合物的生物合成。
总而言之,这一发现揭示了Prymnesium parvum如何通过巨型多酮合酶PKZILLAs合成其复杂的毒素分子,也强调了生物合成途径的复杂性,为探索复杂天然产物的生物合成途径开辟了全新的视野。这一进展不仅拓宽了我们对生物合成领域知识的边界,生物合成酶在尺寸上的巨大潜力,还为未来天然产物的生物合成研究和应用奠定了坚实的基础,预示着在药物开发、化学合成和生物技术领域中潜在的创新可能。
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