2024-12-18
微生物在地球生态系统中扮演着至关重要的角色，能够推动铁、砷等多种元素循环活动。近年来，随着高通量测序技术的发展，科学家们能够通过注释相关基因和代谢途径更深入地解析微生物在这些循环中的具体功能。今天小编就和大家从数据库的角度上揭开微生物参与铁和砷循环功能的秘密吧！
Fe
铁是地球上几乎所有生命体不可或缺的微量营养元素。它在生物体内扮演着电子供体和受体的角色，被铁氧化和铁还原微生物所利用，并参与到多种重要的生物过程中，如光合作用与呼吸作用等。尽管铁是地壳中第四大丰富的金属元素，但由于其容易被氧化和沉淀，这使得在有氧环境中，可被生物利用的有效铁含量往往十分有限，从而限制了依赖于铁的生命活动的发展。
美国南加州大学洛杉矶分校地球科学系Arkadiy I. Garber团队基于细菌和古菌中与铁获取、储存和还原/氧化相关的基因，创建了一个隐马尔可夫模型( HMMs )的综合数据库FeGenie[1]。FeGenie支持输入基因组和宏基因组组装体，使用综合HMM数据库对提供的数据集进行铁相关基因和基因邻域的注释。FeGenie中包括208个蛋白家族，12个铁相关功能类别，功能类别主要可以归为铁的获取/转运、铁的储存、铁的基因调控、铁的氧化还原反应和磁小体的形成五个方面。
微生物铁代谢机制图
微生物铁获取/转运途径机制图
FeGenie算法流程概览
As
砷是自然界中广泛存在的一种有毒类金属。微生物介导的砷代谢在全球砷生物地球化学循环中扮演着关键角色，极大地改变了砷的毒性和生物利用度。尽管宏基因组测序技术为研究不同环境条件下微生物群落对砷的代谢能力提供了有力工具，但由于现有公共数据库中砷代谢相关基因家族的覆盖率不足且定义不够精确，故而准确地进行砷代谢相关的宏基因组分析仍然具有挑战性。
浙江大学土水资源与环境研究所马斌团队建立了人工整理的As代谢基因数据库（AsgeneDB），该数据库包含来自46门1653个微生物属的59个As代谢基因家族的400242个代表性序列[2]。AsgeneDB中功能分类主要有砷转运、五价砷呼吸、五价砷还原、三价砷氧化和砷甲基化。与其他数据库相比，AsgeneDB提供了更准确、更全面、更快速的As代谢基因分析。
AsgeneDB框架示意图
AsgeneDB中As代谢基因家族总览及与其他公共同源数据库的比较
派森诺宏基因组生物地球化学循环分析功能基因集包含FeGenie和AsgeneDB数据库内容，并且面向关键的价态变化针对性制作循环图！
铁价态变化循环图（左）、砷价态变化循环图（右）
通过物种-功能贡献度分析挖掘到底样本中哪些微生物具有铁氧化/还原或者砷氧化/还原的功能。
物种-功能贡献度堆积柱形图（左）与桑基图（右）
更多功能基因子库（碳、氮、磷、硫、铁、砷、汞、硒元素循环，氧化磷酸化和中心代谢）和更多专项分析内容尽在派森诺宏基因组生物地球化学循环分析，快和当地销售经理洽谈或拨打咨询电话021-80118168解锁吧！
参考文献
[1]Garber AI, Nealson KH, Okamoto A, McAllister SM, Chan CS, Barco RA, Merino N. FeGenie: A Comprehensive Tool for the Identification of Iron Genes and Iron Gene Neighborhoods in Genome and Metagenome Assemblies. Front Microbiol. 2020 Jan 31;11:37. doi: 10.3389/fmicb.2020.00037. PMID: 32082281; PMCID: PMC7005843.
[2]Song X, Li Y, Stirling E, Zhao K, Wang B, Zhu Y, Luo Y, Xu J, Ma B. AsgeneDB: a curated orthology arsenic metabolism gene database and computational tool for metagenome annotation. NAR Genom Bioinform. 2022 Nov 1;4(4):lqac080. doi: 10.1093/nargab/lqac080. Erratum in: NAR Genom Bioinform. 2022 Dec 09;4(4):lqac094. doi: 10.1093/nargab/lqac094. PMID: 36330044; PMCID: PMC9623898.
