Transcriptomic analysis of aerobic respiratory and anaerobic photosynthetic states in Rhodobacter capsulatus and their modulation by global redox regulators RegA, FnrL and CrtJ
- 作者
- Joseph E. Kumka, Heidi Schindel, Mingxu Fang, Sebastien Zappa, Carl E. Bauer
- 杂志
- Microbial Genomics（2017）
- DOI
- 10.1099/mgen.0.000125
- 所属领域
- 微生物基因组学 / 转录组学 / 光合细菌调控
- 关键词
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解决的核心问题
解析Rhodobacter capsulatus在暗好氧呼吸与厌氧光合两种生长状态下的全局转录组差异，并定量评估全局氧化还原调控因子RegA、FnrL和CrtJ对差异基因表达的相对贡献。
研究策略
利用18个生物学重复的RNA-seq数据比较两种生长状态的转录组，并通过构建ΔregA、ΔfnrL、ΔcrtJ缺失突变体进行转录组分析，交叉比较差异表达基因以确定各调控因子的调控范围。
核心内容
该研究通过18个生物学重复的RNA-seq比较了荚膜红杆菌在暗好氧呼吸与厌氧光合两种状态下的全基因组转录差异，并构建了regA、fnrL和crtJ三个全局氧化还原调控因子的缺失突变体进行交叉分析。结果显示共有1834个基因（占基因组53%）在两种状态下差异表达，厌氧光合条件下碳固定基因上调547%，细菌叶绿素合成基因上调162%，而钴胺素合成、铁转运、运动性和糖酵解基因分别下调45%、42%、32%和34%。三个调控因子中，RegA影响50%的差异表达基因，FnrL影响33%，CrtJ仅影响7%，三者共同调控25个基因，且RegA与FnrL的重叠调控最为显著（391个基因）。最高转录基因ompU在光合和需氧条件下分别占总测序reads的4.2%和3%，cycA2表达比cycA1低36倍。该研究表明两种代谢状态间存在广泛的转录重编程，但调控因子的作用多表现为微调而非简单开关，蛋白和代谢物水平调控同样发挥重要作用，为理解光合细菌的全局氧化还原调控网络提供了定量框架。
创新点
使用大规模生物学重复（18个）提供高稳健性的转录组快照；首次在R. capsulatus中定量评估三个全局氧化还原调控因子对全基因组差异表达基因的贡献比例；揭示大量基因受多个调控因子协同调控。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodobacter capsulatus SB1003 | 全局氧化还原调控 | regA | RegA | 调控 | 磷酸化响应RegB组氨酸激酶，在厌氧光合条件下激活光合基因表达。 |
| Rhodobacter capsulatus SB1003 | 全局氧化还原调控 | fnrL | FnrL | 调控 | 含4Fe-4S氧敏感簇的转录因子，还原条件下结合DNA，氧化条件下失活。 |
| Rhodobacter capsulatus SB1003 | 全局氧化还原调控 | crtJ | CrtJ | 调控 | 具有氧化还原活性半胱氨酸的转录抑制子，氧化时增强DNA结合。 |
| Rhodobacter capsulatus | 四吡咯生物合成（血红素/细菌叶绿素） | hemB | δ-氨基乙酰丙酸脱水酶 | 催化 | 血红素途径中表达增幅最高的基因，可能为限速步骤。 |
| Rhodobacter capsulatus | 四吡咯生物合成（细菌叶绿素） | bchE | Mg-原卟啉IX甲基酯氧化环化酶 | 催化 | 具有氧不稳定的FeS中心，受FnrL激活。 |
| Rhodobacter capsulatus | 光合作用-光收获与反应中心 | pufB, pufA, pucB, pucA, pufL, pufM, puhA | 光收获复合体及反应中心结构蛋白 | 调控 | 编码光收获I/II和反应中心结构蛋白，光合条件下高表达。 |
| Rhodobacter capsulatus | 铁转运与稳态 | rcc02578 | Fe3+ ABC转运蛋白 | 转运 | 需氧条件下表达比光合高20倍以上。 |
| Rhodobacter capsulatus | 铁转运与稳态 | bfr | 细菌铁蛋白 | 转运 | 铁储存蛋白，需氧条件下表达高30%，为铁转运基因中表达最高。 |
| Rhodobacter capsulatus | 电子传递 | ccoNOQP | cbb3型细胞色素c氧化酶 | 能量供给 | 需氧条件下高表达，为高周转/低亲和力氧化酶。 |
| Rhodobacter capsulatus | 电子传递 | cycY | 细胞色素cy | 转运 | 光合条件下表达提高1.6倍，用于将电子从bc1复合体传递给反应中心。 |
关键发现
- 共有1834个基因（占基因组53%）在厌氧光合与好氧需氧条件下差异表达
- 光合条件下，钴胺素合成基因下调45%，铁转运与稳态基因下调42%，运动性基因下调32%，糖酵解基因下调34%
- 碳固定基因上调547%，细菌叶绿素合成基因上调162%，类胡萝卜素合成基因上调114%
- 光收获和反应中心结构基因（puc、puf、puh）占光合转录本的12%和需氧转录本的2.8%
- pufB/pufA/pucB/pucA占光合转录本的7.7%，反应中心pufL/pufM/puhA占2.8%
- 最高转录基因ompU在光合和需氧条件下分别占总测序reads的4.2%和3%
- 铁转运基因转录水平在需氧条件下为0.27%，光合条件下为0.13%
- bch基因转录光合占2.7%，需氧占1.2%
- hem基因转录光合占0.85%，需氧占0.57%
- cob基因转录需氧占0.72%，光合占0.38%
- 铁储存蛋白基因bfr占需氧0.12%、光合0.08%
- RegA缺失影响50%的DEG（913/1834），FnrL缺失影响33%（598/1834），CrtJ缺失影响7%（136/1834）
- RegA与FnrL共同调控391个基因，RegA与CrtJ共同调控72个，CrtJ与FnrL共同调控51个，三个调控因子共同调控25个基因
- cycA2表达比cycA1低36倍
- 光合条件下torA和torC表达分别提高18倍和31倍
- cycY表达提高1.6倍
- ccoNOQP氧化酶在需氧条件下表达高3-4倍
- 气体囊泡基因在光合条件下平均下调65%。
研究结论
R. capsulatus在需氧呼吸与厌氧光合状态下超过半数基因的表达发生显著改变，表明这两种代谢状态间存在广泛的转录重编程。全局氧化还原调控因子RegA、FnrL和CrtJ各自具有特化的调控领域，且存在显著的重叠调控，但多数基因的转录调控表现为微调而非简单的开关模式，蛋白和代谢物水平的调控也发挥重要作用。