基因组学、蛋白质组学和代谢组学在微生物降解PAHs中的应用

孔德康 王红旗 许洁 刘自力 吴枭雄

（北京师范大学水科学学院，北京 100875）

综述与专论

基因组学、蛋白质组学和代谢组学在微生物降解PAHs中的应用

孔德康 王红旗 许洁 刘自力 吴枭雄

（北京师范大学水科学学院，北京 100875）

基因组学、蛋白质组学和代谢组学是系统生物学的重要组成部分，是近年来发展出来的新兴学科。随着生命科学的研究进入了多组学时代，基因组学、蛋白质组学和代谢组学得到了迅猛发展，被广泛应用在环境微生物学的各个研究领域，并成为研究PAHs微生物降解中不可或缺的重要手段。主要阐述了3大组学在微生物降解PAHs内在机理及代谢通路中的最新研究进展，并展望了3大组学在多环芳烃微生物降解机制中的应用前景与挑战。

多环芳烃；微生物；基因组学；蛋白质组学；代谢组学

1 基因组学

基因组学是研究生物基因组以及如何利用基因的一门学问，涉及了基因作图、测序和整个基因组功能的分析，它是其他组学的基础［8-9］。常用的微生物基因组学技术有土壤微生物总DNA提取、PCRDGGE技术、宏基因组学、基因芯片等，而稳定性同位素标记（SIP）技术往往与这些技术结合［10］。

通过对于PAHs污染土壤中微生物基因组学的研究，能够对降解菌进行鉴定，同时对和PAHs降解有关的编码基因和质粒进行鉴定。Song等［11］利用DNA-SIP和T-RLFP技术对森林土壤中能够降解蒽、菲和荧蒽的细菌进行分析，结果认为菲降解菌属于鞘氨醇单胞菌，蒽降解菌为Rhodanobacter属，而荧蒽降解菌属酸杆菌门。同时，Jones等［12］也通过PLFA-SIP技术发现鞘脂单胞菌与土壤中菲的降解有关。Gutierrez 等［13］通过结合SIP技术与培养方式的改变来鉴定深海PAHs的降解菌。在13C富集的细菌DNA文库中最主要的序列被鉴定为解环菌属，同时，他们从瓜伊马斯流域沉积物中分离鉴定了Halomonas、Thalassospira和Lutibacterium sp.等具有PAHs降解能力的菌属。Pathak等［14］对红球菌M213进行了全基因组测序及注释，共得到8 680个编码基因，其中G+C含量为66.72%。通过生物信息学分析、代谢分析等方法，鉴定了一些可能通过特殊途径参与菲降解的质粒与编码基因。

根据每种细菌特定基因丰度的变化，基因组学能够对土壤微生物群落结构的改变进行检测，同时通过一些特定的检测来鉴定PAHs降解有关的酶。Li等［15］利用DNA-SIP首次发现 Kouleothrix 和Sandaracinobacter直接与土壤中的菲降解有关，同时参与菲代谢过程的PAHs双加氧酶基因在13C重分馏中被检测出来，通过对其PCR分析及其代谢产物、其它酶的分析，认为这两种细菌主要是通过β-ketoadipate途径对菲进行代谢降解。Zafra等［16］通过宏基因组学的方法发现通过接种PAHs降解菌，污染土壤的微生物多样性有明显的变化，功能宏基因组的结果显示基因丰度向更加利于PAHs矿化的方向进行改变。Fang等［17］通过DGGE的方法研究盐度对微生物生物多样性和两种萘双加氧酶基因的影响。随着盐度从0.1%逐渐增加到20%，生物降解菲的效率越来越差，生物多样性越来越差，但是双加氧酶在不同浓度的降解中始终占据主导作用。在Zhao等［18］的研究中，通过使用PCR-DGGE以及基因芯片的应用，对加入一定浓度菲的土壤细菌群落结构改变进行了探究发现，在28 d培育后，Phenylobacterium成为低浓度菲土壤中的优势菌，Sphingomonas是中浓度菲土壤中的优势菌，而在高浓度菲的土壤中，发现Burkholderia为优势菌种。在菲污染胁迫下新出现的优势土壤细菌群落，可能对菲降解有重要作用。

2 蛋白质组学

蛋白质组学是对所有表达蛋白功能的研究［19］，是生命科学研究的一个热点问题。比较蛋白质组学是检测在不同的条件下差异表达蛋白的丰度，通过比较表达上调或表达下调的蛋白来分析生物的调节机制与代谢途径［20-21］。认识蛋白质水平的微观过程和机理，可以更好地理解多环芳烃生物修复的理论支持和实践指导。

双向电泳技术（Two-dimensional electrophoresis，2-DE）是等电聚焦电泳和SDS-PAGE的组合，根据pI和分子大小的不同先后进行等电聚焦电泳与SDSPAGE，经染色得到二维分布的蛋白质图［22］。通过比较不同条件蛋白质图的变化，找到相关的蛋白点，最后通过对相关蛋白的鉴定与功能分析，来对微生物的降解过程进行分析。Lee 等［23］利用2-DE技术研究了鞘氨醇单胞菌DJ77暴露在菲、萘和联苯时表达蛋白的变化。分别暴露于这3种物质时，表达量均有改变的蛋白点共10个，在上调的蛋白中，双加氧酶、脱氢酶及水解酶都参与了多环芳烃降解的过程。Wei 等［24］使用2-DE技术对短芽孢杆菌暴露于菲的蛋白质进行了分析，13种蛋白的表达增加，而有10种蛋白的表达下降。对这些差异表达的蛋白质进行鉴定，结果表明它们参与了多种生物过程，包括能量代谢、生物合成、跨膜转运和氧化应激。Lee等［25］利用1-D PAGE、2-DE及nano-LC-MS/MS技术发现，分枝杆菌JS14降解荧蒽过程中的25个表达增加的相关蛋白，并且根据蛋白质组学所研究识别的酶提出这种细菌的荧蒽降解途径。Liu等［26］研究了鞘氨醇单胞菌GY2B在有无表面活性剂吐温80的情况下降解菲时蛋白的差异表达，结果表明吐温80可以调节细胞膜上的离子运输（如H+），为菲跨膜运输提供驱动力（ATP），从而提高菲的吸收和生物降解。此外，吐温80还可以促进GY2B的生长，从而促进菲的生物降解。这项研究有助于更好地了解调节表面活性剂增强多环芳烃生物降解的机制。

同位素标记相对和绝对定量（Isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ）技术，是一种新的、功能强大的可同时对8种样品进行绝对和相对定量研究的方法，这种方法是建立在iTRAQ试剂的基础上。相比于2-DE技术，iTRAQ技术能够发现更多数量和种类的差异蛋白，同时操作上不需要凝胶，因而更加方便与精确。Yun等［27］结合1DE-MudPIT和iTRAQ技术发现，恶臭假单胞菌KT2440降解苯甲酸过程中的107个差异蛋白。52个上调蛋白与苯甲酸降解酶、趋化作用和ABC转运有关，而55个下调蛋白与氮代谢和丙酮酸盐代谢有关。Liu等［28］利用iTRAQ技术发现假单胞菌SJTD-1降解正十八烷的过程中，为了适应正十八烷的条件，SJTD-1的物质运输、代谢能力与能源生产、转换功能发生了巨大的变化。Carvalho和Lettieri［29］研究了硅藻暴露于苯并芘（BaP）后蛋白质的表达量变化，iTRAQ的数据显示脂质代谢和硅化过程参与了BaP的降解过程，同时也推断出了硅藻降解BaP的其他代谢通路，如DNA甲基化和光合作用。

除了2-DE和iTRAQ技术，蛋白质组学技术还有Label-free、稳定同位素标记以及基于DIGE的蛋白质分析方法等，它们在PAHs降解菌蛋白变化的检测方面也有很好的应用，如Herbst等［30］利用34S稳定同位素定量标记氨基酸（SULAQ34）的方法来研究在荧光假单胞菌ATCC17483萘降解相关的蛋白质的变化，同时也发现了一种特殊的氧化应激反应。

3 代谢组学

代谢组学是对生物体内所有代谢物进行定量分析，是关于生物体系内源代谢物质种类、数量及其变化规律的科学，能够为人们进一步了解相关代谢途径及其变化提供关键的信息。代谢组直接反映了细胞的生理状态，它是细胞变化和表型之间相互联系的核心，研究生物内源性代谢物质及其与内在或外在因素的互作，并寻找代谢物与生理变化的相对关系，是系统生物学的组成部分［31-32］。

微生物代谢组学的研究往往要经过样品制备，代谢物的检测、分析及鉴定，数据处理及分析等过程。其中最重要的过程是代谢物的检测分析与鉴定，方法有质谱和核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）。由于NMR的灵敏度很难同时检测到微生物体系中浓度差异较大的代谢物，因此人们常用的方法是通过各种手段的质谱来进行代谢物监测分析［33］。

利用代谢组学的方法，可以对微生物代谢产物进行鉴定，甚至根据代谢产物而对细菌进行鉴别。Bean等［34］利用了全二维气相色谱-飞行时间质谱联用技术（GC×GC-TOFMS）对铜绿假单胞菌PA14培养基顶空的挥发性代谢物图谱进行了鉴定，共发现了包括了醇类、醛类、酮类、功能性苯类及芳香分子等28 种新的挥发性物质，使发现的PA14代谢过程产生的挥发物数量增加了1倍。Samelis等［35］采用傅立叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy）获得了传统希腊Graviera奶酪中乳酸菌胞外代谢物的红外光谱图，并结合16S rRNA 的限制性内切酶片段长度多态性（Restriction fragment length polymorphism，RFLP）技术和单链构象多态性（Single-strand conformation polymorphism，SSCP） 技术实现了对乳酸菌的鉴定。

根据代谢产物的变化，并结合一些相应的数据库，如KEGG、Metlin、BiGG Models、GMD等，能够对微生物降解PAHs的代谢通路进行研究分析。Ghosal 等［36］通过使用HPLC与GC-MS，第一次提出了不动杆菌AGAT-W降解苊、苊烯的完整代谢通路。Zhong等［37］的研究表明鞘氨醇单胞菌MP9-4对菲和1-甲基菲（1-MP）展现了良好的降解性能。MP9-4对1-MP的降解途径与MP9-4对菲的降解途径相同。此外，1-MP还可以通过甲基氧化来降解。这项研究扩大了我们对烷基化多环芳烃代谢途径的了解，同时也显示了MP9-4对烷基化多环芳烃污染环境强大的生物修复潜力。

4 多组学联用和其他相关技术

事实上，如今很多研究都是将不同组学的方法进行联用，旨在对微生物的降解过程有一个更加全面的认识。Zhao等［38］利用高通量宏基因组学与GC-MS的方法确定了微生物群落动态和代谢中间体，提出了荧蒽降解共代谢网络，并且计算出了各种微生物的降解贡献率。分枝杆菌贡献了多数环双加氧酶和环裂解酶，而Diaphorobacter贡献了绝大多数的脱氢酶。研究首次在复杂微生物群落中提出了共代谢网络，为人们在复杂微生物群落中了解每一种微生物降解PAHs的能力及其在群落中的功能提供了宝贵的经验。同时，通过蛋白质组学获得的蛋白，往往会将蛋白的信息上传到KEGG Pathway数据库来对代谢过程进行分析。Xu等［39］联用iTRAQ和LCMS/MS技术研究恶臭假单胞菌SJTE-1降解雌激素17β-estradiol（多环芳烃属于雌激素类似物）时蛋白的变化量，同时通过将蛋白数据上传到COG数据库进行功能分析，GO富集分析以及Pathway代谢通路分析，对SJTE-1降解17β-estradiol的代谢过程有了更清楚的了解。

对于某些特定基因的验证，往往会使用实时定量基因扩增荧光检测（RT-qPCR）进行实验。.Han等［40］认为农业废弃物的添加显著提高了PAHs降解基因（pdo1和NaH）的丰度。Vandera等［20］利用RT-qPCR对编码环加氧酶终端亚基（Asphe3_40070）的基因rhd1αh以及编码苯丙酸双加氧酶小亚基的基因rhd1β进行验证，发现在只有菲为碳源的情况下，这两个基因的表达比在葡萄糖的情况下高出40倍。Khara 等［41］检验了鞘氨醇单胞菌PNB的6种环烃基化酶基因在菲、联苯、琥珀酸条件下的表达差异，相比于琥珀酸条件，PNB在菲条件下的nahD、ahdC和xylE基因被发现过表达，而在联苯条件下只有catA过表达。利用RT-qPCR技术揭示芳香基因在PNB中的过表达，为人们探究降解基因复杂的调控机制提供了一个直观的方法。

5 结语

基因组学、蛋白质组学和代谢组学经过接近30年的高速发展，已经在生命科学的多个领域取得了辉煌的成就。这些组学的单独应用和联合运用促进了人们对生命现象的理解。对于PAHs微生物修复而言，这3大组学已经得到了较为广泛的应用，并取得了一些突破性的成果。当然，目前3大组学在微生物降解PAHs污染土壤的应用研究还处在较为初级的阶段。一方面，所研究的PAHs仅是一些低环的容易降解的多环芳烃，对于高环的难降解的PAHs的研究还较少；另一方面，基因组学、蛋白质组学和的代谢组学的应用还较为简单，对于降解PAHs微生物的基因、蛋白质、代谢物的探究只是冰山一角，对于更深层次的内在机理与它们之间的联系尚不明确。

转录组学是从RNA水平研究基因表达的情况，即一个活细胞所能转录出来的所有RNA的总和，是研究细胞表型和功能的一个重要手段。对PAHs降解菌的应用，目前仅停留在建库的目的上，而对于微生物在转录水平和蛋白质水平上的差异以及它们之间的关联分析的研究还比较少，今后的研究可以在转录组学与蛋白质组学的相互关系上有所着重。蛋白结构的突变、基因-蛋白之间的相互作用以及蛋白-蛋白之间的相互作用，与微生物的许多功能、生理状态有关，更是解决相关科学问题的最终钥匙。蛋白质交互作用主宰了活体细胞内几乎所有的生化反应，广泛参与了生物化学、量子化学、分子动力学、讯息传递等代谢或遗传活动。关于PAHs降解过程中特定蛋白质交互作用的研究同样可以是今后研究的一个方向。作为环境工作者，应当努力拓宽眼界，将各种组学技术尤其是蛋白相关技术合理地运用到相关的科学问题中来，以便更好地促进环境保护工作的发展。

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Applications of Genomics，Proteomics and Metabolomics in Microbial Degradation of PAHs

KONG De-kang WANG Hong-qi XU Jie LIU Zi-li WU Xiao-xiong
（College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875）

Genomics，proteomics and metabolomics are important components of systemic biology，which are the emerging disciplines developed in recent years. With the development of life sciences，genomics，proteomics and metabolomics have been developing rapidly，and widely used in various fields of environmental microbiology，and become an indispensable part of studying polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）microbial degradation. In this paper，the latest research progresses on the mechanisms of microbial degradation of PAHs and the metabolic pathways in three disciplines are reviewed，and the application prospects and challenges of the three disciplines in the PAHs biodegradation are discussed.

PAHs；microorganism；genomics；proteomics；metabolomics

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0368

多 环 芳 烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）在我们的环境中无处不在，对生物具有致畸、致癌、致突变的危害。由于PAHs的溶解度低，疏水性强和难降解性，它们在环境中能够累计到很高的浓度［1］。近年来，通过细菌和真菌修复PAHs污染土壤的技术已被广泛开发［2］。恶臭假单胞菌、鲍曼不动杆菌、镰刀菌、苏云金杆菌及真菌P.incarnata等在修复PAHs污染土壤中都表现出了很好的修复能力［3-6］。然而，我们对微生物降解PAHs的内在机理，包括控制PAHs降解相关的基因，一些关键蛋白的表达变化，PAHs降解的代谢通路等仍一知半解。随着生命科学的研究进入了多组学时代，基因组学、蛋白质组学和代谢组学的相关技术有了迅猛的发展［7］。这些技术为我们探究微生物降解PAHs的内在机理提供了很好的工具与方法，帮助我们更好的利用微生物来对污染土壤进行治理。

2017-05-08

国家自然科学基金项目（41372232）

孔德康，男，硕士研究生，研究方向：多环芳烃污染土壤修复；E-mail：505682192@qq.com

王红旗，男，博士，研究方向：地下水污染治理，环境科学；E-mail：whongqi@126.com

（责任编辑 狄艳红）