硫元素作为生物必需的大量元素之一，在地球上广泛存在，约占地壳成分的0.03%^[1]。硫元素在海洋中以不同价态的化合态存在，通过不同价态的有机硫和无机硫的相互转化参与全球硫循环，将陆地、海洋及大气生态系统联系在一起，实现全球硫循环^[2]。二甲基巯基丙酸内盐(dimethysulfoniopropionate，DMSP)作为地球上含量最丰富的有机硫分子，每年产量约10⁹ t，是海洋细菌重要的营养物质，对全球硫循环、信号传递和调节气候变化等方面具有非常重要的作用^[3-5]。在细胞内，DMSP还发挥很多重要的生理功能，可以作为抗氧化剂、渗透保护剂、相容性溶质及自由基清除剂等^[6-12]。此外，DMSP还是二甲基硫(dimethylsulfide，DMS)的主要前体物质。DMS是一种挥发性气体，每年通过微生物对DMSP的裂解作用可以产生多达3×10⁸ t的DMS，其是大气中硫的最大生物来源^[13-15]。DMS从海洋扩散到大气中后，会在光氧化作用下生成二甲基亚砜或硫酸盐气溶胶；DMS及其氧化产物可以通过形成云凝结核参与云的形成，导致云量增加，从而增加对照射到地球表面的阳光的反射，进而影响全球气候；大气中的DMS及其氧化产物还可以通过降水、降雪过程回到陆地环境中，从而完成从海洋到陆地的硫循环过程^{[2, 7-8]}。

DMSP在海洋环境中广泛分布，其最早是在1948年从多管藻属的红藻中被鉴定出^[16]。DMSP的产生者主要是海洋大型藻类(如红藻、绿藻)和浮游植物(如甲藻、硅藻)，尤其在甲藻中DMSP的产量较高，甲藻的丰度与DMSP的产量呈正相关关系，随着甲藻的增加，DMSP在海水中的浓度明显升高^[6-7]。海洋表层海水中DMSP的浓度通常比深层海水的浓度高，DMSP的浓度也有较强的季节变化规律，春季浓度开始上升，夏季浓度最高，秋季和冬季再逐渐下降^{[2, 6, 12, 17]}。目前，人们对海洋细菌分解代谢DMSP的过程及机制开展了大量研究^[18-19]，DMSP代谢过程中多个酶的催化过程及机制得到了阐明^[20-25]。与DMSP分解代谢的研究相比，人们对DMSP合成过程及相关酶催化机制的研究相对较少。DMSP合成途径中的第一个酶由Curson等在2017年从一株海洋细菌中鉴定获得^[12]，随后，他们从浮游植物中鉴定出DMSP合成途径中关键酶的基因^[11]。2019年，Williams等报道了在近海沉积物中细菌是DMSP的主要产生者^[26]。2020年，Zheng等发现了马里亚纳海沟里的细菌可以产生DMSP^[9]；同年，Trottmann等发现伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)在产生细菌毒力因子的过程中会产生DMSP^[27]。

DMSP的生产者以甲硫氨酸为前体物质，通过甲基化反应、转氨反应和脱羧反应等催化过程在体内合成DMSP^[26]。目前已报道的DMSP合成途径有3条(图 1)，根据第一步反应类型的不同，这3条代谢途径分别被称为甲基化途径、转氨途径和脱羧途径。甲基化途径是部分高等植物和一些海洋异养细菌合成DMSP的途径，在该途径中，甲硫氨酸首先发生甲基化反应产生S-甲基-甲硫氨酸(S-methyl-methionine，SMM)，SMM再经过脱羧、氧化过程产生DMSP-乙醛(DMSP-aldehyde)后，脱氢产生DMSP (图 1)；在DMSP转氨合成途径中，甲硫氨酸先发生转氨反应产生4-甲基巯基-2-氧丁酸(4-methylthio-2-oxobutyrate，MTOB)，再经过还原过程和甲基化反应产生4-二甲基亚砜-2-羟基丁酸(4-dimethylsulfonio-2-hydroxybutyrate，DMSHB)，最后通过脱羧反应产生DMSP，转氨途径主要存在于大型藻类、硅藻、珊瑚及多种海洋α变形菌纲细菌中(图 1)；DMSP的脱羧合成途径存在于甲藻和鞭毛虫体内，该途径的第一步是甲硫氨酸通过脱羧反应产生3-甲基巯基丙胺(3-methylthiopropylamine，MTPA)，该途径的后续反应步骤尚待证实，推测会先生成巯基丙酸甲酯(methylmercaptopropionate，MMPA)再最终产生DMSP (图 1)。在DMSP的合成过程中，硫原子的甲基化过程是DMSP合成的关键步骤^{[14, 28]}。

截至目前，已经报道的参与DMSP合成的关键酶有5种，包括DsyB^[12]、DSYB^[11]、TpMMT^[10]、MmtN^[26]和BurB^[27]。这5种酶均属于甲基转移酶类，其中来源于细菌的DsyB和来源于藻类的DSYB、TpMMT是转氨合成途径中的关键酶，催化MTHB甲基化生成DMSHB，而细菌来源的MmtN和BurB则在DMSP合成的甲基化途径中发挥作用，催化甲硫氨酸生成SMM^{[10-12, 26-27]}。

DMSP是全球硫循环的重要参与者。DMSP不仅在海洋生物中发挥着重要的生理功能，其裂解产物DMS还可以通过参与云凝结核的形成对全球气候产生影响，因此，研究DMSP的合成机制具有重要的意义。目前已经有3条DMSP合成途径被报道，其中有5种DMSP合成关键酶被鉴定获得，但是尚无关于DMSP合成关键酶的晶体结构及催化机制的研究。本文对目前已报道的DMSP合成关键酶的研究进展进行系统阐述，梳理DMSP合成酶之间的联系与区别并进行讨论和展望，以期增进人们对DMSP产生过程及全球硫循环的理解。

1 DMSP转氨合成途径中的关键酶 1.1 海洋细菌中MTHB甲基化转移酶DsyB

第一个被鉴定的DMSP合成基因dsyB来源于海洋异养细菌Labrenzia aggregata LZB033；Curson等对中国东海分离出的细菌菌株进行筛选，发现菌株LZB033可以裂解DMSP产生DMS；然而在未添加外源DMSP时该菌株仍然能产生DMS，表明菌株LZB033可能具有合成DMSP的能力；进一步的气相色谱和液相色谱-质谱联用结果表明该菌株确实能合成DMSP，这是第一个海洋细菌合成DMSP的报道^[12]。当该菌株在DMSP转氨合成途径的中间产物存在的条件下生长时，DMSP产量显著提高，说明其可能通过转氨途径合成DMSP；从该菌株的细胞提取物中能检测到甲硫氨酸氨基转移酶和MTOB还原酶的活性，表明该菌株可以利用甲硫氨酸合成MTHB (图 1)^[12]。通过构建基因组文库并对功能基因进行筛选和测序，Curson等鉴定出基因dsyB是菌株LZB033合成DMSP过程中的关键甲基化酶，其可以催化MTHB生成DMSHB；基因敲除的结果表明dsyB是该菌株中DMSP合成所必需的基因，其编码的DsyB蛋白属于S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)依赖的甲基转移酶家族(Pfam family 00891)^[12]。

Curson等的研究进一步发现，基因组中含有dsyB同源基因的海洋细菌均有产生DMSP的能力，表明dsyB可以作为一个标记基因预测细菌合成DMSP的能力^[12]。根据宏基因组分析，在Tara Oceans和全球海洋样品(global ocean sampling)宏基因组数据库中，约0.5%的海洋细菌含有dsyB的同源基因，并且dsyB多存在于海洋α变形菌纲的细菌中，而在陆地宏基因组中几乎找不到dsyB的同源基因，这个结果与DMSP主要来源于海洋的观点一致^[11-12]。

1.2 浮游植物中的MTHB甲基转移酶DSYB

海洋浮游植物和大型海藻等被认为是DMSP的重要生产者，不同种群细胞中的DMSP浓度差异较大^{[3-4, 11, 17]}。基于海洋细菌中dsyB的研究结果，Curson等从真核藻类中鉴定出编码DMSP合成蛋白的关键基因DSYB^[11]。DSYB是细菌中DsyB的同源蛋白，也是一种SAM依赖的甲基转移酶，需要SAM的参与才能表现出其甲基化活性；DSYB与DsyB是同功酶，均催化MTHB生成DMSHB；体外酶活实验表明，在大肠杆菌中异源表达的DSYB无酶活，需要添加热变性的藻体细胞裂解物后才表现出体外活性，表明DSYB的活性可能需要藻类细胞裂解物中存在的辅助因子^[11]。

虽然DSYB是DsyB的同源蛋白，系统发育分析表明DSYB来源于真核生物而DsyB来源于海洋α变形菌纲细菌，两者各自独立成支，这可能与微生物在进化中的基因复制与丢失有关^[11]。目前在海洋植物、珊瑚、部分硅藻及大多数甲藻中均有DSYB同源基因的存在，其中珊瑚中的DSYB可能是甲藻中DSYB基因水平转移的结果^{[11, 17]}。通过对北太平洋表层海水宏转录组的分析，Curson等发现真核生物中DSYB的转录本数量大约是原核生物中dsyB转录本数量的2倍，表明在北太平洋表层海水中，相比于海洋细菌，真核生物应该是DMSP更主要的产生者^[11]。

1.3 硅藻中的MTHB甲基化转移酶TpMMT

硅藻在全球广泛分布，是海洋浮游植物中的一个重要类群，DMSP在一些海洋硅藻中可以积累到较高的胞内浓度^[10]。Kageyama等以硅藻拟南海链藻(Thalassiosira pseudonana) CCMP1335为研究对象，对其基因组进行分析，搜索可能与DMSP合成相关的基因；通过基因组分析、体内活性和cDNA产物的功能研究，他们找到了硅藻中编码DMSP合成途径关键酶的候选基因(TpMT1和TpMT2)，为了检测候选基因表达的蛋白是否具有酶活，将其克隆至大肠杆菌中表达并纯化蛋白，纯化后的重组蛋白TpMT2表现出MTHB甲基转移酶活性，能将MTHB转化为DMSHB，他们将TpMT2命名为TpMMT^[10]。

重组表达的TpMMT催化反应的最适温度为25 ℃，最适酶活pH值为8.0，高浓度的氯化钠或氯化钾均会抑制TpMMT的酶活；TpMMT与DSYB/DsyB属于同功酶，但其与DSYB/DsyB的蛋白序列相似度很低^[10]。目前TpMMT基因只在硅藻中发现，在其他生物中未找到其同源基因。

2 DMSP甲基化合成途径中的关键酶 2.1 海洋细菌中甲硫氨酸甲基转移酶MmtN

除海水外，海洋沉积物中也有DMSP的积累。盐沼池塘、河口和深海的表层沉积物中的DMSP浓度(5−128 nmol/g)比沉积物上层水体中的DMSP浓度(0.01−0.70 nmol/mL)高出大约3个数量级^[26]。Williams等发现从盐沼沉积物分离的细菌菌株中有1/4均能产生DMSP，这些细菌大多数含有基因dsyB，暗示着它们可以利用转氨途径合成DMSP；另一部分则不含有dsyB，表明这部分细菌可能具有一个未知的合成DMSP的基因或途径^[26]。Williams等选择了新鞘脂菌属的一株细菌Novosphingobium sp. BW1进行了进一步研究，在菌株BW1的培养液中添加DMSP三种合成途径的不同中间产物，发现当添加甲硫氨酸和SMM时DMSP的产生量显著提高^[26]。同时在反应产物中检测到甲基化途径的另一种中间产物DMSP-amine，确定菌株BW1应该利用甲基化途径合成DMSP；对比基因文库发现了一个参与DMSP合成的关键基因mmtN，其异源表达纯化后的蛋白MmtN具有SAM依赖的甲硫氨酸甲基转移酶活性，可以催化甲硫氨酸和SAM反应生成SMM，MmtN对SAM的K_m值为1.00 mmol/L，对甲硫氨酸的K_m值为2.02 mmol/L (图 2)，产生的SMM再经过脱羧、氧化等反应产生DMSP^[26](图 1)。底物特异性分析表明，MmtN只对甲硫氨酸有催化活性，而对DMSP转氨合成途径中的中间产物MTHB和DMSP脱羧合成途径中的中间产物MMPA及另一种氨基酸——甘氨酸均无催化活性(图 3)，表明MmtN具有相对专一的底物特异性，基因mmtN主要存在于一些α变形菌类群中^[26]。

在本研究选取的海水和沉积物样本中，含有mmtN的细菌数量低于含有dsyB的细菌，然而富集培养后的样品中含有mmtN的细菌数量更高，这表明富集培养条件下DMSP的产生更依赖含有mmtN的细菌^[26]。细菌MmtN蛋白与植物中甲硫氨酸甲基转移酶MMT的N-末端甲基转移酶结构域有约30%的序列一致性，植物中的MMT还有一个额外的C端氨基转移酶结构域；MMT在高等植物中催化甲硫氨酸产生SMM，但无证据表明具有MMT的植物可以产生DMSP；细菌MmtN和植物MMT的序列长度和结构域的差异可能导致细菌MmtN的K_m值较高，高达12.80 mmol/L，大约是植物MMT的10倍^[26]。编码植物MMT的基因也存在于一些细菌基因组中，其中大多数是δ变形菌纲的细菌；大多数含有MMT编码基因的细菌不能产生DMSP，表明该基因可能不直接参与DMSP的合成，而是和细菌中的甲硫氨酸代谢有关。系统发育分析表明，细菌mmtN和植物的MMT基因之间序列差异较大，这可能是通过古老的水平基因转移产生的^[26]。

2.2 细菌中甲硫氨酸甲基转移酶BurB

伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia)细菌是一种广泛存在于土壤、水体和人体中的革兰氏阴性菌。有些伯克霍尔德氏菌属细菌可以引起严重的传染病，如鼻疽和类鼻疽，严重时可能致命；马利基酚(malleicyprols)是伯克霍尔德菌的一种重要细菌毒力因子，其作用的发挥依赖分子中环丙醇活性基团^[27]。Trottmann等以伯克霍尔德氏菌属中的模式菌株Burkholderia thailandensis为研究对象，在探究环丙醇活性基团的生物合成时发现了DMSP是一种中间代谢产物，表明该菌可以合成DMSP，通过基因失活实验确定了基因簇bur与DMSP的合成相关^[27]。伯克霍尔德菌能以甲硫氨酸作为前体物质，利用甲基化途径合成DMSP，参与反应的酶包括甲基转移酶(BurB)、脱羧酶(BurI)、转氨酶(BurD)和脱氢酶(BurE)，其中BurB为催化甲硫氨酸形成SMM的甲基转移酶，其与MmtN为同功酶^[27]。序列比对表明BurB属于第Ⅴ类甲基转移酶，具有一个SET结构域；在之前的报道中，只有第Ⅰ类和第Ⅲ类甲基转移酶包含SET结构域^[26-27]。在大肠杆菌中异源表达的BurB具有体外活性，可以在SAM存在的情况下将甲硫氨酸转变为SMM^[26-27]。目前，BurB在海洋细菌中的分布情况尚未被报道，但BurB的发现为后续鉴定能够合成DMSP的菌株提供了新的可能。

3 展望

目前已经报道的5种DMSP合成酶中(表 1)，转氨途径的DSYB和DsyB在藻类和细菌中较常见^[11-12]，TpMMT目前仅在硅藻中发现，转氨途径被认为是表层海水中DMSP的主要产生途径，与海水及光照密切相关；在目前已报道的3条DMSP合成途径中，转氨途径对全球DMSP的产量贡献最大^[10]；甲基化途径也有2种酶(MmtN和BurB)在细菌中被报道，mmtN在海水环境中的丰度远远低于dsyB，而在沉积物中的相对丰度更高，因此甲基化途径可能更多存在于海洋沉积物环境中^[26-27]。在DMSP的脱羧合成途径中，目前尚无任何一个酶被鉴定获得，这一合成途径中DMSP合成关键酶仍值得关注和探究。目前仅在甲藻和鞭毛虫体内发现了DMSP通过脱羧途径合成，该条途径对全球DMSP产量的贡献尚不清楚。虽然DMSP转氨合成途径和甲基化合成途径中的5种甲基转移酶已经被鉴定获得，但是这些酶的催化机制尚未见报道，阐明关键酶的催化机制将有助于更好地理解DMSP的代谢和全球硫循环过程。

过去认为只有光合真核生物才能产生DMSP，所以DMSP只产生于海洋真光层，浮游植物是该环境中DMSP的主要生产者；但Zheng等的研究表明在无光的马里亚纳海沟中也有DMSP的产生，而细菌则是此环境中DMSP的重要产生者^[9]。浮游植物和细菌采用不同的营养方式，两者在DMSP合成过程中的异同是一个值得关注的问题。在目前已经报道的能够产生DMSP的细菌中，很多细菌基因组中不含有已被鉴定的DMSP合成关键基因；此外，最近的生物信息学分析表明，在海洋尤其在深海中，目前已报道的DMSP合成基因的丰度远低于DMSP分解代谢基因的丰度^[29]，表明在海洋细菌中尚有未被发现的DMSP合成关键酶或合成途径，对DMSP合成过程中新酶和新途径的鉴定将会成为未来研究的热点。DMSP具有重要的生理功能，在生态系统中也发挥着重要的作用，对DMSP生物合成、降解过程及代谢机制的研究将有助于更好地理解全球硫循环过程。