广泛存在的非典型应答调节子 SecR 通过丝氨酸循环控制细菌对甲胺类化合物的生长

为何这些微小含氮化合物重要

每天，海洋、土壤乃至农田都会向空气和水体中逸出少量富含氮的气体——甲胺类化合物。尽管含量极低，这些小分子却滋养着大量微生物，并能影响云的形成与气候。本研究揭示了某些细菌如何感知并利用甲胺作为食物，发现了一个隐蔽的控制开关，有助于塑造全球碳氮循环。

小分子却承担全球性作用

甲胺是含氮的简单化合物，来源于微生物分解蛋白质、植物化学物质及其它富含有机质的物质。它们从海洋系统、动物排泄物和土壤中逸出，但通常仅以痕量存在，因为细菌会迅速将其摄取。当甲胺逸入海面上方的大气时，可形成微小颗粒，促使水滴凝结，进而微妙地改变云的行为和太阳光的反射。理解微生物如何捕获和处理这些短暂存在的分子，对于弄清碳与氮在地球环境中的流动至关重要。

将单碳单元用于生长的细菌通路

许多细菌将甲胺进一步分解成更小的单碳片段，然后将其重新构建为细胞材料。在能够降解糖尿病药物二甲双胍的 Aminobacter sp. NyZ550 中，作者描绘了氧化甲胺并将单碳片段导入称为丝氨酸循环的代谢环所需的全部基因。这一循环将单碳片段拼接成用于生物质的有用构件。通过逐一删除基因，团队证实当甲胺是唯一的碳和氮来源时，NyZ550 完全依赖这些通路生长。

发现一种不同寻常的遗传开关

为了解该代谢如何被开启，研究者在与甲胺相关基因附近搜索可能的调控基因，并逐一删除它们。去除一个他们命名为 secR1 的基因会导致细菌在甲胺上生长极慢，而单独删除第二个相似基因 secR2 本身影响甚微。引人注目的是，同时删除 secR1 与 secR2 会完全阻止甲胺上的生长。对基因活性的细致测量显示，这两种调节子都必须激活两簇关键的丝氨酸循环基因，像一对开关一样确保该通路在需要时运行。两种蛋白均形成二聚体并直接结合到其靶基因上游的特定位点，提升转录活性，而不依赖经典细菌开关中常见的化学活化步骤。

陆地与海洋中广泛存在的控制系统

进一步分析表明，类似 SecR 的调节子属于更广泛的一类所谓非典型应答调节子，这类蛋白缺乏教科书式双组分系统中常见的磷酸化位点和配对感受器。相反，SecR 蛋白似乎以预成型的二聚体形式存在，识别其靶基因共有的短 DNA 基序。通过扫描数千个完整细菌基因组，作者发现约 17% 的受检菌株中存在 SecR 同源蛋白，包括许多已知能利用甲胺的海洋和土壤细菌。在一百多株使用甲胺的α-变形菌中，SecR 基因反复出现在丝氨酸循环基因旁，尽管确切的基因排列在至少四种不同的簇布局中有所差异，这表明尽管基因组片段在演化过程中发生了重排，但以 SecR 为核心的控制逻辑得以保留。

对地球循环意味着什么

给非专业读者的关键信息是：该研究鉴定出一种常见的遗传开关 SecR，允许多样的细菌快速开启以甲胺为底物时所需的生物合成机器。与依赖缓慢的多步信号传导方案不同，这些微生物使用一种内建的二聚调节子直接抓握 DNA，提高丝氨酸循环基因的活性。由于相似的 SecR 系统同时存在于海洋与土壤细菌中，它们很可能帮助微生物对藻类暴发或植物根系活动等事件所带来的甲胺脉冲迅速作出反应。这样一来，它们在不显山露水中引导单碳片段在空气、水体与生物体之间的流动，继而影响养分平衡与有助于云形成的大气颗粒的生成。

引用: Xu, J., Li, T. & Zhou, NY. Widespread atypical response regulator SecR governs bacterial growth on methylamines through the serine cycle. Commun Biol 9, 702 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09928-w

关键词: 甲胺类化合物, 细菌代谢, 丝氨酸循环, 应答调节子, 生物地球化学循环