The Plant-Like C2 Glycolate Cycle and the Bacterial-Like Glycerate Pathway Cooperate in Phosphoglycolate Metabolism in Cyanobacteria
- 作者
- Marion Eisenhut, Shira Kahlon, Dirk Hasse, Ralph Ewald, Judy Lieman-Hurwitz, Teruo Ogawa, Wolfgang Ruth, Hermann Bauwe, Aaron Kaplan, Martin Hagemann
- 单位
- 罗斯托克大学生物科学研究所植物生理学系，德国罗斯托克; 耶路撒冷希伯来大学植物与环境科学系，以色列耶路撒冷; 中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，中国上海; 罗斯托克大学化学研究所，德国罗斯托克
- 杂志
- Plant Physiology（2006）
- DOI
- 10.1104/pp.106.082982
- 所属领域
- 植物代谢
- 关键词
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解决的核心问题
蓝藻中是否存在完整的光呼吸C2循环？细菌型甘油酸途径是否参与以及两者如何协同代谢2-磷酸乙醇酸？
研究策略
通过基因组比对鉴定蓝藻中与植物C2循环和细菌甘油酸途径同源的基因；利用定向插入突变逐基因失活；异源表达并纯化关键酶测定活性；比较不同CO2水平下突变体的生长速率和代谢物积累。
核心内容
该研究以集胞藻PCC 6803为对象，系统解析了蓝藻中2-磷酸乙醇酸的代谢机制。通过基因组比对、基因定向插入突变、异源表达及酶活测定，作者证实蓝藻同时拥有植物型C2循环和细菌型甘油酸途径的全部酶基因，且两条途径协同运作。关键发现包括：蓝藻使用NAD+依赖的乙醇酸脱氢酶（GlcD）而非乙醇酸氧化酶催化乙醇酸氧化；重组Syn-SHMT活性比对照高7倍，首次证明蓝藻具有功能性丝氨酸羟甲基转移酶。突变体表型分析显示，低CO2条件下ΔglcD和ΔgcvT生长速率约为野生型的70%，双突变ΔgcvT/Δtsr降至约40%，而PGP双突变体在3% CO2下几乎不能生长；GDC突变体积累大量甘氨酸和赖氨酸。结果表明C2循环承担主要代谢通量，但甘油酸途径同样不可或缺，两条并行途径可防止有毒中间产物积累，且即使在高CO2条件下2-磷酸乙醇酸代谢对蓝藻正常生长也至关重要。
创新点
①系统揭示了蓝藻同时拥有植物型C2循环和细菌型甘油酸途径，且两者协同运作；②证明蓝藻使用NAD+依赖的乙醇酸脱氢酶（非乙醇酸氧化酶）氧化乙醇酸；③首次证明蓝藻具有功能性的丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）；④发现GDC突变体在低CO2下积累大量甘氨酸和赖氨酸，提示C2循环在通量中占主导。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（C2循环/甘油酸途径） | sll1349 | PGP（磷酸乙醇酸磷酸酶） | 催化 | 催化2-磷酸乙醇酸水解为乙醇酸；与slr0458同工酶，双突变几乎致死 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（C2循环/甘油酸途径） | slr0458 | PGP（磷酸乙醇酸磷酸酶） | 催化 | 催化2-磷酸乙醇酸水解为乙醇酸；与sll1349同工酶，双突变几乎致死 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（C2循环/甘油酸途径） | sll0404 | GlcD（乙醇酸脱氢酶亚基D） | 催化 | 催化乙醇酸氧化为乙醛酸，NAD+依赖；突变体积累乙醇酸并生长缓慢 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（C2循环） | sll1559 | AGT（丙氨酸:乙醛酸氨基转移酶） | 催化 | 催化乙醛酸转氨基为甘氨酸；基因完全敲除难以获得纯合突变，可能具有必需功能 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（C2循环） | sll0171 | GcvT（甘氨酸脱羧酶T蛋白） | 催化 | 甘氨酸脱羧酶复合物T蛋白亚基，催化甘氨酸脱羧；突变体在低CO2下积累甘氨酸和赖氨酸，生长速率降低 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（C2循环） | sll1931 | SHMT（丝氨酸羟甲基转移酶） | 催化 | 催化甘氨酸与丝氨酸互变；重组蛋白活性比对照高7倍，证明蓝藻中存在功能性SHMT |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（甘油酸途径） | sll1981 | GCL（乙醛酸缩合酶） | 催化 | 催化乙醛酸缩合为酒石酸半醛；与slr2088同工酶，单突变可完全分离 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（甘油酸途径） | slr2088 | GCL（乙醛酸缩合酶） | 催化 | 催化乙醛酸缩合为酒石酸半醛；与sll1981同工酶，不可完全敲除，可能具有必需功能 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（甘油酸途径） | slr0229 | TSR（酒石酸半醛还原酶） | 催化 | 催化酒石酸半醛还原为甘油酸；单突变体在低CO2下生长接近正常，积累较少甘氨酸和赖氨酸 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（甘油酸途径） | slr1908 | HPR（羟基丙酮酸还原酶） | 催化 | 催化羟基丙酮酸还原为甘油酸；与sll1556同工酶，未做突变分析 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（甘油酸途径） | sll1556 | HPR（羟基丙酮酸还原酶） | 催化 | 催化羟基丙酮酸还原为甘油酸；与slr1908同工酶，未做突变分析 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 2-磷酸乙醇酸代谢（甘油酸途径） | slr1840 | GLYK（甘油酸激酶） | 催化 | 催化甘油酸磷酸化为3-磷酸甘油酸；属于细菌型甘油酸激酶，未做突变分析 |
关键发现
- ['在集胞藻PCC 6803基因组中鉴定到编码植物型C2循环和细菌型甘油酸途径全部酶的基因，包括两个PGP、两个GCL、两个HPR等。', '重组蛋白Syn-GlcD（57 kD）和Syn-SHMT（50 kD）均具有活性
- Syn-SHMT活性比对照高7倍。', '蓝藻利用NAD+依赖的乙醇酸脱氢酶（GlcD）而非乙醇酸氧化酶催化乙醇酸转化为乙醛酸。', '大多数单基因突变体在5% CO2下生长正常，但ΔglcD在5% CO2下生长速率仅为野生型的约85%。', '低CO2下，ΔglcD和ΔgcvT的生长速率为野生型的约70%，双突变ΔgcvT/Δtsr为野生型的约40%，而Δtsr仅降至高CO2时的三分之一。', 'ΔglcD突变体甚至在5% CO2下也积累乙醇酸，且在低CO2下持续积累。', '低CO2下，GDC突变体（ΔgcvT和ΔgcvT/Δtsr）积累的甘氨酸和赖氨酸远高于野生型，可能导致生长抑制。', 'PGP双突变体（sll1349和slr0458）在3% CO2下几乎不能生长，提示PGP对防止2-PG积累至关重要。']
研究结论
蓝藻的2-磷酸乙醇酸代谢由植物型C2循环和细菌型甘油酸途径协同完成；C2循环（GDC）承担主要通量，但甘油酸途径也必不可少；即使在高CO2下蓝藻也产生2-磷酸乙醇酸，且其代谢对维持正常生长至关重要；两条途径的并行可避免有毒中间产物积累。