'Omics-guided prediction of the pathway for metabolism of isoprene by Variovorax sp. WS11
- 作者
- Robin A. Dawson, Gregory D. Rix, Andrew T. Crombie, J. Colin Murrell
- 单位
- School of Environmental Science, University of East Anglia, Norwich Research Park, Norwich, UK
- 杂志
- Environmental Microbiology（2022）
- DOI
- 10.1111/1462-2920.16149
- 所属领域
- 环境微生物学
- 关键词
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解决的核心问题
异戊二烯代谢途径不完整，特别是isoG、isoJ、aldH等基因功能未知，异戊二烯碳如何进入中心代谢尚不明确。
研究策略
结合转录组学、蛋白质组学、靶向基因敲除、互补实验和比较基因组学，提出并验证异戊二烯代谢途径。
核心内容
该研究以Variovorax sp. WS11为对象，结合转录组学、蛋白质组学、靶向基因敲除、互补实验和比较基因组学，系统解析了异戊二烯的完整代谢途径。结果显示，异戊二烯培养6小时后，iso基因簇转录本占全部转录本的8.5%，其中isoG上调267倍；24小时时isoG和isoF分别上调694倍和451倍。环氧异戊二烯诱导2小时后，iso基因转录上调983至2406倍，占总转录本的22.5%。蛋白质组分析表明，30小时异戊二烯生长后Iso蛋白丰度从0.00001%升至3.32%，AldH相对丰度增加494.7倍。通过敲除实验证实isoG、isoJ和aldH为必需基因，突变体无法在异戊二烯上生长，但在丙酮酸存在时可消耗底物。研究提出异戊二烯经氧化、谷胱甘肽结合、脱氢和CoA转移生成丙酰-CoA，再通过甲基丙二酰-CoA或甲基柠檬酸途径进入中心代谢，途径选择受生物素和维生素B12影响，甲基柠檬酸合酶在异戊二烯条件下上调超100倍。该工作首次阐明了异戊二烯碳进入中心代谢的完整路径。
创新点
首次提出完整的异戊二烯代谢途径，确认isoG、isoJ、aldH为必需基因，揭示异戊二烯碳通过丙酰-CoA经甲基丙二酰-CoA和甲基柠檬酸途径同化。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Variovorax sp. WS11 | 异戊二烯代谢途径 | isoABCDEF | 异戊二烯单加氧酶 | 催化 | 催化异戊二烯氧化为环氧异戊二烯 |
| Variovorax sp. WS11 | 异戊二烯代谢途径 | isoI | IsoI | 催化 | 谷胱甘肽S-转移酶，结合环氧异戊二烯与谷胱甘肽 |
| Variovorax sp. WS11 | 异戊二烯代谢途径 | isoH | IsoH | 催化 | NAD+依赖脱氢酶，催化两步氧化 |
| Variovorax sp. WS11 | 异戊二烯代谢途径 | isoG | IsoG | 催化 | 推测CoA-转移酶，参与形成CoA-硫酯 |
| Variovorax sp. WS11 | 异戊二烯代谢途径 | isoJ | IsoJ | 催化 | 谷胱甘肽S-转移酶，可能催化还原去除GSSG |
| Variovorax sp. WS11 | 异戊二烯代谢途径 | aldH | AldH | 催化 | 推测脱氢酶，功能未完全确定 |
| Variovorax sp. WS11 | 异戊二烯代谢途径 | garB | GarB | 催化 | 谷胱甘肽二硫化物还原酶，再生GSH，非必需 |
| Variovorax sp. WS11 | 甲基柠檬酸途径 | prpC等 | 甲基柠檬酸合酶 | 催化 | 丙酰-CoA同化途径，上调超过100倍 |
| Variovorax sp. WS11 | 甲基丙二酰-CoA途径 | pccA等 | 丙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 需要生物素，参与丙酰-CoA同化 |
| Variovorax sp. WS11 | 甲基丙二酰-CoA途径 | mutA等 | 甲基丙二酰-CoA变位酶 | 催化 | 需要维生素B12 |
| Variovorax sp. WS11 | 异戊二烯代谢调控 | dmlR_4 | DmlR_4 | 调控 | LysR型转录调控因子 |
| Variovorax sp. WS11 | 异戊二烯代谢调控 | dmlR_5 | DmlR_5 | 调控 | LysR型转录调控因子 |
关键发现
- 异戊二烯培养6小时后，iso基因簇转录本占全部转录本的8.5%，isoG上调267倍，isoF上调8倍，24h时isoG上调694倍，isoF上调451倍
- 环氧异戊二烯诱导2小时后，iso基因转录上调983-2406倍，占总转录本22.5%。蛋白质组中Iso蛋白丰度在30小时异戊二烯生长后从0.00001%-0.005%升至0.005%-3.32%，AldH相对丰度增加494.7倍，GarB蛋白增加183.2倍。isoG、isoJ、aldH基因敲除突变体无法在异戊二烯上生长，但在丙酮酸存在时可消耗异戊二烯。甲基柠檬酸合酶在异戊二烯条件下上调超过100倍。缺乏生物素和维生素B12时生长速率降低。
研究结论
该研究通过组学分析提出了完整的异戊二烯代谢途径：异戊二烯经氧化、谷胱甘肽结合、脱氢和CoA转移等步骤生成丙酰-CoA，再经甲基丙二酰-CoA或甲基柠檬酸途径进入中心代谢，途径选择受维生素生物素和B12影响。isoG、isoJ、aldH被证实为必需基因。