近日，金沙js1005線路自然科學研究院與物理與天文學院的徐恒課題組與其合作者，在Nature Communications上發表了題為“Uncovering dynamic transcriptional regulation of methanogenesis via single-cell imaging of archaeal gene expression”的研究論文。該研究首次在單細胞尺度上揭示了古菌產甲烷代謝通路的動態轉錄調控動力學機制，為深入理解古菌甲烷代謝過程提供了新的視角。

研究背景：

生物體的新陳代謝為了適應不斷變化的環境和生長需求，其基因轉錄時刻受到精確調控。這種調控不僅優化了群體水平的代謝進程，同時也能導致細胞間的顯著異質性，從而提高群體在復雜環境中的資源利用效率與適應能力。因此，在單細胞尺度上定量解析代謝通路的轉錄調控動力學機制，對理解代謝過程具有重要的科學價值。

目前，單細胞水平的代謝調控研究主要集中在真核生物和細菌，而對生命的第三個域——古菌的研究仍十分有限。由于古菌獨特的細胞結構及其較低的 mRNA 含量，現有技術難以實現對單個古菌細胞基因表達的精確測量，這極大地限制了我們對各種具有重要意義的古菌代謝過程的理解。例如，古菌的產甲烷代謝在全球碳循環和氣候變化中發揮著重要的作用，其代謝過程涉及一系列復雜的酶促反應，并受到多種細胞信號與環境因子的調控。然而，由于現有研究大多基于宏觀測量方法，難以揭示產甲烷代謝通路在單細胞尺度上的動態運行機制，及其對關鍵環境因子的響應模式。

研究方法及結果

在本工作中，研究人員基于多輪雜交鏈式反應—單分子熒光原位雜交技術（smHCR-FISH），開發了一種適用于古菌的單細胞、單分子定量成像方法（圖1A）。利用該方法，研究人員以一種典型的甲基營養型產甲烷古菌——東方產甲烷球菌（Methanococcoides orientis, LMO-1）為例，定量測量了產甲烷代謝通路中的12種關鍵功能基因的單細胞轉錄動力學（圖1B）。研究發現，這些關鍵代謝基因的表達呈現出特定的時序模式，與產甲烷代謝過程中酶促反應的順序相匹配（圖1C）。此外，研究還發現，一種重要的環境因子Fe(III)能夠改變上述基因的表達模式，并通過非酶促的芬頓反應顯著提高甲烷產率（圖1C）。通過對大量細胞進行單細胞聚類分析，研究人員發現，生長在相同的環境條件下的產甲烷古菌種群中存在多個具有獨特基因表達和時間動態模式的代謝亞群（圖1D），而Fe(III)的存在則會導致這些代謝亞群的時序發生重排。進一步的單細胞動力學分析和生物物理學建模表明，產甲烷代謝相關基因的轉錄過程遵循爆發式動力學模式，且不同基因的轉錄調控可能依賴幾種共同的調控因子（圖1E）。

圖1. (A)多輪smHCR-FISH方法示意圖。(B) 產甲烷古菌LMO-1的產甲烷代謝通路以及甲烷代謝關鍵基因的單細胞成像。(C) 產甲烷代謝關鍵基因的表達隨細胞生長時間的變化曲線。（D）通過UMAP可視化展示LMO-1群體中的多個代謝亞群。（E）產甲烷代謝關鍵基因的轉錄調控模式。

本研究工作為理解古菌產甲烷代謝的轉錄調控機制提供了關鍵信息，并為深入研究其他古菌或復雜微生物菌落的代謝調控機制提供了新的技術手段和研究思路。

金沙js1005線路物理與天文學院博士生董怡靜為論文第一作者，金沙js1005線路徐恒副教授和金沙js1005線路海洋學院王風平教授為共同通訊作者。金沙js1005線路碩士生漆蘭婷、博士生趙菲、陳一凡以及梁樂文博士、王景博士和趙維殳副研究員為文章的合作作者。本研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃以及上海市自然科學基金的資助。