宏基因组分析项目再创新，汞元素循环

汞（Hg）是一种具有强烈神经毒性的元素，其单质以及多种化合物都有不同程度的毒性，会造成慢性中毒。汞是一种全球性污染物，大气中的汞可通过干湿沉降进入地表水和土壤，环境因素的变化可导致汞的转化。从无机汞转化而来的甲基汞（MeHg）可通过食物链进行生物积累，对人类健康构成威胁。微生物活动在汞生物地球化学循环中发挥关键作用，例如，merA基因编码的汞还原酶能够将Hg²﹢还原为HgO。

已有研究表明[1]，即使是在遥远的极地区域，近年来，Hg的浓度在显著增加，无机Hg沉降到极地海洋环境后可转化为高度神经毒性的甲基汞（MeHg），可在食物链中生物富集和生物放大，这对极地区域的居民将会带来严重的影响。

图 极地大气-海冰-海洋环境中Hg迁移和转化示意图[1]

凌恩生物宏基因组新增-汞元素循环分析

宏基因组汞元素循环基因分析是利用宏基因组测序技术来破译不同生境下微生物的功能能力和活动，并重建其在汞循环过程中的作用。利用illmina测序技术获得生境中微生物基因组序列，通过相关汞循环代谢数据库对宏基因组数据进行汞代谢功能和物种注释。

汞循环基因主要包括：汞甲基化基因（hgcA，hgcB），汞离子还原酶基因（merA），有机汞裂解酶基因（merB），汞转运蛋白基因（merT）。相关汞循环基因数据库包括HgcA/B，MerA/B/T。数据库中包含的汞循环功能基因组的数量为hgcA（1093），hgcB（912），merA（2996），merB（2450），merT（10104）。

HgcA/B：https://smithsonian.figshare.com/articles/dataset/Hg-MATE-Db_v1_01142021/13105370/1

MerA/B/T：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/?term=merX

图 汞元素基因丰度热图

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经典文献案例

译名：代谢多样的世界性海洋细菌对汞的甲基化作用[2]

期刊：The ISME Journal

影响因子：11

DOI：10.1038/s41396-020-00889-4

微生物将汞（Hg）转化为甲基汞（甲基Hg），这是一种有效的神经毒素，可在陆地和海洋食物网中积累，对人类健康产生潜在影响。这一过程中需要编码驱动汞甲基化的蛋白质的基因簇hgcAB的参与。长久以来，汞的甲基化过程被认为是在厌氧环境中进行的，但是近期的研究发现其过程也可以在低氧的海水中形成。但是，对于海水中能够转化汞的微生物还知之甚少。

本研究对加拿大萨尼奇湾（Saanich Inlet）沿着氧化还原梯度采集的不同海水深度的样本进行了宏基因组和宏转录组测序，并测量了汞和甲基汞的浓度剖面数据。研究结果确定了几个假定的汞甲基化微生物群，包括Calditrichaeota、SAR324和Marinimicrobia，其中，Marinimicrobia是丰度最高也是最活跃的甲基化细菌。本研究基于蛋白质同源模型HgcAB蛋白包含高度保守的氨基酸位点和功能性汞甲基化所需的氨基酸位点和折叠结构。该研究结果揭示了潜在的新型海洋汞甲基化微生物，具有比以往所了解的甲基化微生物更大的耐氧性和更广泛的栖息境范围。

图1 HgcA氨基酸序列的系统发育树

图2 代表性hgcA基因与其转录本的相对丰度

图3 Marinimicrobia门的系统发育与全球分布

参考文献

[1] Modeling the Mercury Cycle in the Sea Ice Environment: A Buffer between the Polar Atmosphere and Ocean. Environmental Science & Technology, 2023.

[2] Mercury methylation by metabolically versatile and cosmopolitan marine bacteria. The ISME Journal, 2021.