A review of acquired thermotolerance, heat-shock proteins, and molecular chaperones in archaea

Abstract: Acquired thermotolerance, the associated synthesis of heat-shock proteins (HSPs) under stress conditions, and the role of HSPs as molecular chaperones under normal growth conditions have been studied extensively in eukaryotes and bacteria, whereas research in these areas in archaea is only beginning. All organisms have evolved a variety of strategies for coping with high-temperature stress, and among these strategies is the increased synthesis of HSPs. The facts that both high temperatures and chemical stresses induce the HSPs and that some of the HSPs recognize and bind to unfolded proteins in vitro have led to the theory that the function of HSPs is to prevent protein aggregation in vivo. The facts that some HSPs are abundant under normal growth conditions and that they assist in protein folding in vitro have led to the theory that they assist protein folding in vivo; in this role, they are referred to as molecular chaperones. The limited research on acquired thermotolerance, HSPs, and molecular chaperones in archaea, particularly the hyperthermophilic archaea, suggests that these extremophiles provide a new perspective in these areas of research, both because they are members of a separate phylogenetic domain and because they have evolved to live under extreme conditions.     

极端嗜热古菌尿嘧啶DNA糖苷酶的研究进展

高温会加快碱基脱氨基反应形成损伤碱基的速率,进一步对脱氨基的碱基进行复制会导致突变。因此,极端嗜热古菌基因组的稳定性面临着其生存高温环境的挑战。胞嘧啶脱氨基形成尿嘧啶,是常见的脱碱基类型,复制DNA中尿嘧啶会造成GC→AT的突变。尿嘧啶DNA糖苷酶(Uracil DNA glycosylase,UDG)是修复DNA中尿嘧啶的关键酶。基于识别底物的特异性,UDG分为6个家族,广泛分布在细菌、古菌、真核生物以及一些病毒中。基因组序列显示,极端嗜热古菌至少编码一种UDG。目前,对于细菌和真核生物的UDG已进行了大量的研究,但是关于极端嗜热古菌UDG的研究相对较少,尚处于初期阶段。本文综述了极端嗜热古菌UDG的研究进展,并对今后的研究提出了展望。     

极端嗜热古菌DNA修复核酸内切酶的研究进展

极端嗜热古菌由于生活在高温环境,其基因组DNA面临着严重的挑战,因此,它们如何维持其基因组稳定是本研究领域最为关注的科学问题之一。极端嗜热古菌具有与常温微生物相似的自发突变频率,暗示着它们比常温微生物具有更加有效的DNA修复体系进行修复高温所造成的基因组DNA损伤。目前,极端嗜热古菌DNA修复的分子机制尚不清楚。核酸内切酶在DNA修复途径中发挥着重要的作用。基因组序列显示极端嗜热古菌编码多种DNA修复核酸内切酶,但是其研究尚处于初期阶段。本文综述了极端嗜热古菌DNA修复核酸内切酶Nuc S、Endo V、Endo Q、XPF和Hjc的研究进展,并对今后的研究提出了展望。     

嗜盐古菌启动子的研究及应用

嗜盐古菌是古菌域的一个重要代表类群,在遗传与代谢、进化与适应、前沿生物技术及合成生物学领域都显示了其重要的研究价值。嗜盐古菌启动子的认识和利用,可以为嗜盐古菌的基础和应用研究提供必要的条件。本文从古菌启动子的结构与功能出发,就启动子的研究方法、嗜盐古菌启动子的特征及嗜盐古菌启动子的应用3个方面综述了嗜盐古菌启动子的研究现状,并对嗜盐古菌启动子未来研究的重点和方向进行了展望。     

深部生物圈古菌的研究进展与展望

古菌作为深部生物圈中常见的原核生物,广泛分布于各类海洋沉积生境中,在沉积物生物地球化学循环中发挥着重要作用.由于不同的古菌类群对环境条件存在生理适应性差异,它们分别在近岸沿海和开阔大洋沉积物中构成了厌氧微生物生态系统和好氧微生物生态系统.本文通过对近岸与远洋、沉积物与上覆水体两个不同维度的古菌群落结构进行比较,以及对出...     

几种农田土壤中古菌、泉古菌和细菌的数量分布特征

真核生物、细菌和古菌三者共同构成了生命的三域系统.古菌作为第3种生命形式,不仅能在高温、强酸和高盐等极端环境下生存,而且在海洋、湖泊和土壤等生境中也广泛分布,预示其在整个生态系统中有着不可估量的作用.本文以2个农田剖面土壤和2个长期施肥试验站祁阳(QY)和封丘(FQ)的土壤为对象,以实时定量PCR方法为主要研究手段,对土壤中古菌(包括泉古菌)和细菌的16S rRNA基因拷贝数丰度变化进行了研究.结果表明:土壤泉古菌16S rRNA基因拷贝数要低于古菌l～2个数量级,两者与细菌相比,16S rRNA基因拷贝数大小顺序为土壤泉古菌＜古茵＜细菌,而古菌和泉古菌16S rRNA基因拷贝数与细菌的比值均随土壤深度加深而增大.不同施肥处理对土壤古菌和泉古茵的数量有显著影响.QY试验站土壤古菌和细菌的数量与土壤pH值显著相关(分别为r=0.850,P＜0.01和r=0.676,P＜0.05).FQ古菌、泉古菌和细菌与土壤pH值相关性不显著,与土壤有机质含量相关性均达显著水平(分别为r=0.783,P＜0.05;r=0.827,P＜0.05;r=0.767,P＜0.05).了解古菌包括泉古菌在农田土壤中的分布,可为评价其在生态系统和物质循环中的作用提供重要的理论依据.     

anti-CRISPR的起源、发展和应用

细菌和古菌等微生物与病毒（噬菌体）之间的生存之战是一场“军备竞赛”。细菌和古菌已经进化出多种先天和适应性的免疫系统来抵御噬菌体的入侵。噬菌体则利用不同的对抗策略来躲避这些噬菌体防御机制。CRISPR-Cas （Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats-CRISPR-Associated）系统就是细菌和古菌广泛编码的一种抵御噬菌体等外源遗传元件的获得性免疫系统,与此同时,噬菌体也进化出特异性的anti-CRISPR来抵抗CRISPR-Cas系统的免疫。本文系统综述了anti-CRISPR的发现过程、分类和作用机制,并展望了其潜在的应用。     

抑制剂在氨氧化微生物研究中的应用

在氨氧化微生物的相关研究中经常使用各类抑制剂,包括针对硝化作用的抑制剂和针对微生物生长的抑制剂。自发现氨氧化古菌以来,人们在氨氧化细菌抑制剂的基础上重新筛选和使用不同的抑制剂来满足氨氧化微生物研究的需求。抑制剂既可以加速氨氧化古菌的富集,也可以帮助研究者区分古菌与细菌对硝化作用的贡献以及它们自身合成代谢能力的差别。本文综述了各类抑制剂的使用浓度和抑制效果,包括双氰胺(DCD)、3,4-二甲基吡啶磷酸盐(DMPP)、丙烯基硫脲(ATU)等传统抑制剂,乙炔和辛炔等炔烃类抑制剂,一氧化氮清除剂以及抗生素等对氨氧化微生物的活性和生长有特异性或通用抑制能力的抑制剂。通过对氨氧化微生物抑制剂的归纳总结,可为氨氧化微生物研究过程中抑制剂的选择提供参考。     

基于不同通用引物比较分析肠道微生物群落变化

肠道微生物对于人体健康的重要作用已经得到广泛证实,目前,对肠道微生物的研究大多采用基于扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区的高通量测序分析,对古菌的关注较少。本研究选择了一对可以同时扩增细菌和古菌16S rRNA基因的引物,通过比较人为干扰肠道微生物前后的群落变化,说明这对引物适宜分析人类肠道细菌和古菌群落变化并具有一定优越性。采集志愿者粪便样品,同时用仅能扩增细菌引物(B引物)和细菌古菌通用引物(AB引物)进行扩增和高通量测序;使用几个常用的rRNA数据库判断引物对细菌的覆盖度和对古菌的扩增能力。结果表明,AB引物在可以展示B引物扩增出的细菌群落的基础上,可以得到肠道中常见的产甲烷古菌的序列,同时也展示出人为干扰肠道微生物前后的群落结构变化。AB引物可以仅通过一次扩增和测序同时分析肠道中的细菌和古菌群落,更加全面展示肠道微生物群落结构,适用于肠道微生物相关研究。     

CRISPR system: Discovery,development and off-target detection

As a revolutionary gene editing tool based on the adaptive immune defense mechanism of bacteria and archaea against exogenous DNA invasion, CRISPR/Cas system shows many remarkable characteristics over ZFNs and TALENs. However, off-target effect remains as one of the major imperfection of CRISPR/Cas system, hindering its further application in translational research. In this review, we highlight major breakthrough cross the development/application of this powerful toolkit, and summarize feasible methods for detecting potential off-target effects during genetic manipulation. We hope this review will assist scientists for accurate genomic editing in their future research.     

Regulatory RNAs in prokaryotes: here, there and everywhere

A recent meeting on 'Regulatory RNAs in prokaryotes' reflected the growing interest in this research topic. Almost 200 scientists met to discuss the identification, structure, function and mechanistic details of regulatory RNAs in bacteria and archaea. The topics included small regulatory RNAs, riboswitches, RNA thermosensors and CRISPR ( C lustered R egularly I nterspaced S hort P alindromic R epeats) elements.     

海洋沉积物中几类常见古菌类群的分布与代谢特征

古菌作为海洋微生物的重要组分广泛分布于各种海洋环境,在碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环和地球生命演化过程中扮演着极为重要的角色。目前古菌主要分为4个超级门(广古菌、TACK古菌、阿斯加德古菌和DPANN古菌),近30个门类。本文综述了广泛分布于近岸或深渊等海洋沉积环境中的四类常见的古菌类群[深古菌门(Bathyarchaeota)、乌斯古菌门(Woesearchaeota)、阿斯加德(Asgard)古菌超门和底栖古菌目(Thermoprofundales,Marine Benthic Group D)]的分布与代谢特征的研究进展,以期为进一步开展这几类古菌方面的研究提供线索和启示。     

内蒙古锡林浩特地区嗜盐古菌多样性的研究

从内蒙古锡林浩特地区3个不同的盐湖中共分离到165株古菌,通过ARDRA分析后得到不同的类群,从各个类群中随机选取1~2个代表菌株进行16S rDNA序列测定和系统发育的分析。结果表明分离的菌株分布在Halorubrum,Natronococcus,Natronorubrum,Haloterrigena,Halorhabdus,Halobiforma,Haloarcula,Haloferax8个属和另外两个分支中,表现了锡林浩特地区嗜盐古菌的多样性。部分菌株的16S rDNA序列同源性低于97%,可能是潜在的新属或新种,代表了该地区嗜盐古菌的独特类型。     

蓝藻群体颗粒驱动元素地球化学循环研究进展

在天然淡水和半咸水水体中,水华蓝藻常以群体颗粒的形态存在。在蓝藻群体颗粒中聚集着大量异养细菌,和蓝藻共同构成了具有独特生态功能的基本单元。与蓝藻单体细胞相比,蓝藻群体颗粒呈现出许多独有的特性,如内部丰富的有机质、急剧的氧化还原梯度、密切的种间互作关系等等。这些特质使得蓝藻群体颗粒在水体中成为元素地球化学循环的反应热点。同时,在蓝藻群体颗粒中也存在着远比单细胞藻类-浮游细菌之间更为密切的种间互作。本综述围绕蓝藻群体颗粒的这些特点,结合当前的研究进展,重点阐述蓝藻群体颗粒中的生物、生理、化学过程,讨论其驱动宏观生态现象的微观机制。未来蓝藻群体颗粒组学研究和多组学微生态数据库的构建或成为探索蓝藻群体颗粒中生命过程及揭示蓝藻水华暴发机制的突破口之一。     

古菌在红树林沉积物中的多样性及其碳代谢机制

红树林湿地生态系统具有维持生物多样性、净化环境及维持海岸带生态平衡等多种功能。古菌普遍存在于红树林沉积物中,在元素的生物地球化学循环中发挥着重要作用。古菌具有丰富的碳代谢多样性,能固定CO_2,参与甲烷循环,产乙酸,降解蛋白质、多聚碳水化合物等有机质,但目前对于红树林沉积物中古菌碳代谢的研究才刚刚起步。高通量测序技术的快速发展促进了大量新的古菌门类的发现,这些新的古菌门类具备多样的碳代谢潜力。本文简要概述古菌的主要类群与分布,综述国内外有关古菌碳代谢多样性的最新研究进展,并阐明这些古菌在红树林生态系统中的生态分布和功能特征,为进一步探究古菌代谢机制提供知识基础。     

Genomic analysis of facultatively oligotrophic haloarchaea of the genera Halarchaeum,Halorubrum, and Halolamina,isolated from solar salt

Archives of Microbiology - Extremely halophilic archaea (haloarchaea) belonging to the phylum Euryarchaeota have been found in high-salinity environments. In this study, Halarchaeum sp. CBA1220,...     

极端嗜热古菌的热休克蛋白

随着生物工程产业对于耐高温酶和菌体的需求, 极端嗜热古菌热休克蛋白(heat shock proteins, HSPs)的研究更受重视, 其热休克蛋白体系非常简洁, 不含HSP100s和HSP90s, 就是HSP70(DnaK)、HSP40、(DnaJ)和GrpE等嗜温古菌可能含有的在极端嗜热古菌中几乎不含有, 即仅包括HSP60, sHSP, prefoldin和AAA+蛋白四大类, 因此对其结构、功能和作用机制的研究在理论和实践上都特别有意义。系统地介绍了这四大类组分的结构、功能和作用机制和协同作用的研究进展, 论述了极端嗜热古菌热休克蛋白的系列研究难点和困惑, 展望了进一步的研究方向和重点。     

Marine Group-II archaea dominate particle-attached as well as free-living archaeal assemblages in the surface waters of Kongsfjorden,Svalbard, Arctic Ocean

Antonie van Leeuwenhoek - Marine archaea are a significant component of the global oceanic ecosystems, including the polar oceans. However, only a few attempts have been made to study archaea in...     

Purification,overproduction, and partial characterization of beta-RFAP synthase,a key enzyme in the methanopterin biosynthesis pathway

Methanopterin is a folate analog involved in the C1 metabolism of methanogenic archaea, sulfate-reducing archaea, and methylotrophic bacteria. Although a pathway for methanopterin biosynthesis has been described in methanogens, little is known about the enzymes and genes involved in the biosynthetic pathway. The enzyme beta-ribofuranosylaminobenzene 5'-phosphate synthase (beta-RFAP synthase) catalyzes the first unique step to be identified in the pathway of methanopterin biosynthesis, namely, the condensation of p-aminobenzoic acid with phosphoribosylpyrophosphate to form beta-RFAP, CO2, and inorganic pyrophosphate. The enzyme catalyzing this reaction has not been purified to homogeneity, and the gene encoding beta-RFAP synthase has not yet been identified. In the present work, we report on the purification to homogeneity of beta-RFAP synthase. The enzyme was purified from the methane-producing archaeon Methanosarcina thermophila, and the N-terminal sequence of the protein was used to identify corresponding genes from several archaea, including the methanogen Methanococcus jannaschii and the sulfate-reducing archaeon Archaeoglobus fulgidus. The putative beta-RFAP synthase gene from A. fulgidus was expressed in Escherichia coli, and the enzymatic activity of the recombinant gene product was verified. A BLAST search using the deduced amino acid sequence of the beta-RFAP synthase gene identified homologs in additional archaea and in a gene cluster required for C1 metabolism by the bacterium Methylobacterium extorquens. The identification of a gene encoding a potential beta-RFAP synthase in M. extorquens is the first report of a putative methanopterin biosynthetic gene found in the Bacteria and provides evidence that the pathways of methanopterin biosynthesis in Bacteria and Archaea are similar.     

嗜热古菌异化型硫氧化途径的研究进展

微生物参与的还原性无机硫化合物的氧化过程是硫地球化学循环的重要组成部分,也可应用于生物冶金工业及酸性矿水治理等方面。嗜热古菌是高温环境中存在的一群特殊的微生物,其所参与的异化型硫氧化途径复杂多样,涉及众多氧化还原酶以及硫转运蛋白。本文将结合我们的研究工作,就参与异化型硫氧化代谢过程的嗜热古菌的种类,以及它们所参与的硫氧化过程进行系统的介绍。