近日，南方科技大学海洋科学与工程系副教授曾芝瑞，化学系副教授陶丽芝和生命科学学院助理教授曾福星研究团队合作在古菌膜脂研究中取得重要进展，揭示了古菌膜脂GMGTs生物合成途径的关键基因,并指出GMGT具有指示海洋缺氧历史变化的地球科学应用潜力。研究成果以“Biosynthesis of GMGT lipids by a radical SAM enzyme associated with anaerobic archaea and oxygen-deficient environments”为题在Nature Communications期刊上发表。

大部分古菌细胞膜由四醚脂类GDGTs构成，这些GDGTs形成的单分子层细胞膜具备出色的理化稳定性，能够显著提升古菌适应极端环境的能力。此外，GDGTs还是重要的分子化石，被广泛用于古环境变化的研究当中。GDGTs包含多种形式的衍生物，例如环化、羟基化、甲基化等，其中尤为重要的一种衍生物为H-型GDGT，也称为GMGT。然而，关于GMGTs的生物合成途径、生理学功能，及其潜在的地球科学意义，目前仍然属于未知领域。

图1 体内古菌表达和体外生化活性实验证实Gms酶以GDGT为底物合成GMGT

本研究结合体内古菌异源基因表达和体外生化活性实验，首次鉴定出GMGT的生物合成酶（GMGTs synthase，Gms）基因（图1）。Gms属于radical SAM蛋白酶家族，利用自由基活化底物GDGT的 C(sp3)-H键，并构建C(sp3)-C(sp3)键，形成产物GMGT。

图2. Gms酶的Alphafold2蛋白结构预测和电子顺磁共振EPR分析

为了揭示Gms酶的催化细节，研究通过电子顺磁共振EPR分析证实Gms含有的三个FeS簇对电子传递和构建C(sp3)-C(sp3)键至关重要。Alphafold2 结构预测揭示了Gms的底物独特的结合空间，发现N端序列形成的帽子结构可能对底物的稳定结合起到重要作用（图2）。

图3. GMGT合成酶基因仅在缺氧环境的宏基因组中出现

GMGT合成酶的发现为揭示GMGT的生物来源菌株提供了必要条件。通过基因组数据比对（BLASTP）发现，合成GMGT的菌株皆为严格厌氧古菌。此外，海洋与湖泊的宏基因组分析显示，Gms基因仅在缺氧环境出现，充分说明了GMGT具备记录全球环境，特别是海洋环境缺氧历史的潜力(图3)。

南方科技大学为论文第一单位。海洋科学与工程系研究助理李雅楠为论文第一作者，曾芝瑞、陶丽芝、曾福星为论文共同通讯作者。南科大生命科学学院博士生余婷、海洋科学与工程系博士生冯希、硕士生赵博、博士生陈华慧，中国地质大学（武汉）副教授杨欢，中国海洋大学张晓华教授、博士生陈星，以及斯坦福大学副教授Noah Burns、博士生Hayden Anderson均为本研究做出重要贡献。以上研究得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49650-x

供稿：海洋科学与工程系

通讯员：颜莎

主图：李嘉慧

编辑：任奕霏