Expandingthephylogeneticdistributionofcytochromeb-containingmethanogenicarchaeashedslightontheevolutionofmethanogenesis
扩大含细胞色素b的产甲烷古菌的系统发育分布揭示了产甲烷的进化
作者：Ya-FeiOu,Hong-PoDong,SimonJ.McIlroy,SeanA.Crowe,StevenJ.Hallam,PingHan,JensKallmeyer,RachelL.Simister,AureleVuillemin,AndyO.Leu,ZhanfeiLiu,Yan-LingZheng,Qian-LiSun,MinLiu,GeneW.Tyson,Li-JunHou等期刊：ISME
时间：年07月
影响因子：11.
组学策略：宏基因组
DOI：10./s---0
摘要产甲烷古菌产生的甲烷对地球的气候变化有重要影响。产甲烷古菌在缺氧环境中具有系统发育多样性和广泛性。这些微生物可以根据它们是否使用b型细胞色素进行能量保存而分为两个亚组。与无b型细胞色素的产甲烷菌相比，含b型细胞色素的产甲烷菌具有更大的底物范围和更高的生长率。迄今为止，具有b型细胞色素的产甲烷菌只存在于Ca.Halobacteriota门中（以前是Euryarchaeota门的一部分）。在这里，我们介绍了从嗜温性缺氧沉积物中重建的含有甲基辅酶M还原酶基因的宏基因组组装基因组，以及先前报道的嗜热Ca.Methylarchaeumtengchongensis，代表一种新的古菌目，命名为Ca.Methylarchaeales，属于Thermoproteota门（以前的TACKsuperphylum）。这些微生物包含甲基还原甲烷生成和Wood-Ljundahl途径所需的基因。重要的是，Ca.Methylarchaeales的Ca.Methanotowutia属编码一种含有细胞色素b的异二硫还原酶（HdrDE）和methanophenazine-reducing氢化酶复合物，其基因排列与产甲烷菌Methanosarcinales中发现的基因排列相似。我们的结果表明Ca.Methylarchaeales是具有细胞色素的产甲烷菌，可以通过膜结合的电子传递链保存能量。系统发育和合并似然估计分析表明，具有含细胞色素b的电子转移复合物的产甲烷菌可能在Thermoproteota或Ca.Halobacteriota的多样化之前就进化出来了。对公共序列数据库的调查表明，该谱系的成员分布在全球缺氧沉积物中，可能是甲烷循环中的重要参与者。
结果1.在湿地沉积物中发现一种新的古菌谱系为了研究红树林生态系统中的古生物群落组成和功能，我们分析了来自中国湛江特呈岛和海口东寨港红树林湿地的13个沉积物样本的宏基因组数据。这些测序数据的重新组装（每个样本60-Gbp）和基因组分箱产生个古细菌MAGs。发现5个MAGs（H03B1、HK01M、HK01B、HK02M1和HK02M2）含有编码完整甲基辅酶M还原酶复合物（mcrABCDG）的基因。基于基因组分类数据库工具包（GTDB-Tk），这些MAGs被归类为Thermoproteota门（前TACKsuperphylum）的Nitrososphaeria（原Thaumarchaeota门）中的一个新目。
利用个连接的古菌特异性标记蛋白进行系统基因组分析，发现7个MAGs和Ca.M.tengchongensis形成了一个独特的谱系，是Nitrososphaerales目系（图1a）。从这些MAGs中恢复的16S和23SrRNA基因的系统发育分析支持了该谱系的新颖性，通过对16SrRNA基因的序列比对，揭示了79.1–87.3%与公开获得的Nitrososphaeria基因组相似的身份。属于新谱系的7个MAGs与所有其他Nitrososphaeria基因组的AAI值为44.0–52.3%，进一步支持了它们作为一个单独目的分类。综上所述，这些系统发育分析表明，这些MAGs代表了最近描述的Ca.Methylarchaceae科的四个不同属，一个新目，这里指定为Ca.Methylarchaeales。H03B1、HK01M、HK01B和HK02M1代表一个属（氨基酸一致性（AAI）69.7-80%），HK02M2代表第二个属（AAI68.9-80%），TDP8和TDP10代表第三个（AAI70.2–82.5%）和Ca.M.tengchongensis代表第四种（AAI68.9–82.5%）；前三个属在这里分别被命名为Ca.Methanoinsularis、Ca.Methanoporticola和Ca.Methanotowutia。
图1.甲烷代谢相关基因的基因组树及其分布
2.Ca.Methylarchaeales可能是具有b型细胞色素的甲基还原产甲烷菌Ca.Methylarchaeales的MAGs注释证实了参与古菌甲烷代谢的基因，包括编码Mcr复合物（mcrABG和辅助基因mcrCD）以及Mcr激活所需的ATP结合蛋白AtwA（图2）。Ca.Methylarchaeales含有从甲醇和甲胺产生甲烷的基因（mtaA、mttB、mttB和mtmB），因此Ca.Methylarchaeales具有进行甲基还原甲烷发生的潜力。系统发育分析表明，Ca.Methylarchaeales的MtrH亚基与Methermicoccusshengliensis的MtrH（BP07_RS）的关系比与Methanosarcina的MtrH亚基的关系更密切。
Ca.MethylarchaealesMAGs包含一个或两个编码异二硫还原酶亚基D（HdrD）的基因，其中一个与b型细胞色素基因共定位，与Methanosarcinabarkeri的hdrDE操纵子相似（图3a）。Ca.Methylarchaeales的hdrDE类似复合物中的b型细胞色素是具有五个跨膜螺旋段的完整膜蛋白，其中包含一个硝酸盐还原酶亚基结构域（PF）（图3c）。对这些b型细胞色素的序列分析揭示了位于Ca.Methylarchaeales的Helix2中的两个组氨酸残基，位于H03B1的Helix5中的两个组氨酸残基，以及Ca.methanotowutia和Ca.Methanoinsularis中位于Helix5的单个组氨酸和蛋氨酸残基（图3c)。这些残基被认为参与了两个血红素基团的结合，类似于E.coli的NarI和M.barkeri的HdrE。总的来说，这些发现强烈表明Ca.Methylarchaeales是b型含细胞色素的产甲烷菌，它使用HdrDE复合物来减少在甲基生成的最后一步中产生的CoM-S-S-CoB。
Ca.MethylarchaealesMAGs编码一个[NiFe]活性位点含氢化酶的小和大亚基，与跨膜b结构域（PF）细胞色素b基因共定位（图3b），这与细胞色素中发现的VhtAGC复合物的操纵子相似。b型细胞色素有5个跨膜螺旋，其中组氨酸或蛋氨酸残基位于Helix1、2和5，用于连接两个血红素组。已经有人提出，VhtA是通过VhtG的双精氨酸信号肽被引导到细胞膜上的，其[NiFe]活性位点面向周质侧。因此，由H2氧化产生的两个H+离子被释放到周质中，而两个电子通过VhtG的Fe-S团簇转移到VhtC的血红素基团中。此外，电子载体methanophenazine将VhtAGC与HdrDE连接起来，其还原和再氧化导致两个额外的H+离子释放到周质中（图2）。该系统中总共产生了四个生电质子，可以通过古A型ATP合酶驱动一个ATP的合成。从methanophenazine接收电子的HdrDE复合物可用于降低CoM-S-S-CoB（图2），使甲烷生产与节能耦合。这是对在广古菌superphylum外的一个含mcr的古菌谱系中发现的VhtAGC复合物和HdrDE复合物的首次报道（图1），表明Ca.Methanotowutia可能能够进行H2依赖的甲基还原甲烷生成。膜结合的电子传递链比没有细胞色素的产甲烷菌所使用的电子分岔更有效。
序列分析表明，Ca.Methylarchaeales的McrA序列的关键保守残基包括F辅因子、辅酶M和辅酶B的结合位点，与广古菌门成员的McrA序列相同，但α位点的半胱氨酸被丙氨酸或丝氨酸取代。重建了串联和个体的McrABG的系统发育树，结果表明，Ca.Methylarchaeales编码典型的Mcr复合物，与假定的甲烷代谢古菌聚在一起，与短链烷烃氧化古菌不同（图4）。这些结果支持了Ca.Methylarchaeales代谢甲烷。
图2.Ca.Methylarchaeales中的代谢途径
图3.Methylarchaeales中HDRDE和VHTAGC复合物的基因组成和结构模型
图4.McR/McR样复合物的系统发育及其与种树的关系
3.含b型细胞色素的产甲烷菌的进化
HdrDE复合物中的b型细胞色素属于硝酸盐还原酶γ亚基（PF，NarI）的蛋白质家族。使用所有公开的古菌基因组，我们发现含有NarI结构域的细胞色素（NarI-Cyt）主要用于三种电子转移复合物：HdrDE、异化硝酸还原酶（NarGHI）和亚硫酸盐还原酶（DsrABCJKMOP）。对于HdrDE和NarGHI复合物，编码亚基的基因在古菌基因组中共定位，每个基因组形成一个转录单元。然而，在Dsr复合物中，只有DsrK与DsrM（b型细胞色素）共定位，而其他亚基通常不与DsrKM相邻，而是被几个基因分开。对NarI-Cyt进行系统发育分析，以研究这些基因在古菌中的进化（图5)。结果表明，这些细胞色素经历了频繁的水平基因转移，尤其是DsrM。在Thermoproteota成员中注释的DsrM序列形成了一个独特的簇。在簇中，Archaeoglobi和Ca.HydrothermarchaeotaDsrM分支远离它们的广古菌超门亲缘，并可能从Ca.Korarchaeia成员获得细胞色素。同样的，Ca.Methanoperedenaceae和Archaeoglobi可能从Thermoproteia的成员那里获得了NarI基因。Thermoproteota成员的细胞色素和基因组树之间的一致性表明，这些细胞色素可能在该门多样化之前就已经进化出来了。我们利用连接的HdrDE复合物进一步推断了一个基因树（图5b）。这棵树的拓扑结构与除Methanonatronarchaeia外的所有谱系的基因组树高度一致，支持了该复合物在古生菌中的早期存在。
b型细胞色素被分为不同的蛋白质家族，并形成生物能量途径中许多膜结合电子转移复合物的一部分。除了HdrDE、Nar和Dsr之外，这些复合物还包括Vht、Fdh、b6f复合物、bc1复合物和琥珀酸脱氢酶（Sdh）。我们对来自不同家族的b型细胞色素进行了系统发育分析（图6)。结果表明，来自Fdh和Sdh复合物的细胞色素形成两个大簇。在每个簇中，来自Thermoproteota或Euryarchaeota的谱系基本上被分组在一起，这表明这些细胞色素可能在这些主要的古菌谱系分化之前就已经进化了。b6f复合物的细胞色素簇与bc1复合物的细胞色素簇接近，这与bc1复合物中的细菌细胞色素可能起源于b6f复合物中的细胞色素一致。串联VhtAGC的系统发育分析显示，Thermoproteota的谱系与古菌的谱系聚类（图6），这表明这些谱系之间Vht复合体的古代交流。综上所述，这些结果支持古菌中b型细胞色素的早期起源。
图5.古菌含NarI结构域的B型细胞色素和串联HDRDE复合物的系统发育
图6.古菌中b型细胞色素和串联VhtAGC复合物的系统发育
结论与亮点论文描述了新发现的古菌目Ca.Methylarchaeales，扩大已知的甲烷菌和古菌多样性。该谱系的成员是甲基还原产甲烷菌，它们可以通过膜结合的电子传递链来保存能量。Ca.Methylarchaeales分布在全球缺氧湖和海洋沉积物中，表明它们对全球甲烷排放有重要贡献。我们更广泛的分析表明，使用含有b型细胞色素的复合物来转移电子的产甲烷菌可能起源于Thermoproteota或Ca.Halobacteriota的多样化之前。与利用电子分岔的氢化营养型产甲烷菌相比，利用膜结合电子链的产甲烷菌具有更高的能源生产效率和生长率，为Ca.Methylarchaeales成员提供了优势。