Glucose-induced Expression of Carotenoid Biosynthesis Genes in the Dark Is Mediated by Cytosolic pH in the Cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803
- 作者
- Jee- Youn Ryu, Ji Young Song, Jeong Mi Lee, Suk Won Jeong, Wah Soon Chow, Sang- Bong Choi, Barry J. Pogson, Youn- Il Park
- 单位
- Department of Biology, Chungnam National University; Photobioenergetics Group, Research School of Biological Sciences, Australian National University; Department of Biological Sciences, Myongji University; School of Biochemistry and Molecular Biology, Australian National University
- 杂志
- Journal of Biological Chemistry（2004）
- DOI
- 10.1074/jbc.M402541200
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中，黑暗中葡萄糖如何诱导类胡萝卜素生物合成基因（crtB、crtP、crtQ、crtR）表达，其信号转导机制是什么。
研究策略
通过比较葡萄糖类似物（L-葡萄糖、3-O-甲基葡萄糖、2-脱氧葡萄糖、甘露糖）的效果，利用葡萄糖转运蛋白（ΔglcP）和葡萄糖激酶（Δgk）突变体，结合呼吸链抑制剂（HgCl2、KCN、DBMIB）和氧化磷酸化解偶联剂（CCCP）处理，并测定ATP/ADP比值和吖啶黄荧光（指示胞质pH），解析葡萄糖诱导crt基因表达的上游信号。
核心内容
该研究以集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803为对象，探究黑暗中葡萄糖诱导类胡萝卜素生物合成基因crtB、crtP、crtQ和crtR表达的信号转导机制。通过比较多种葡萄糖类似物处理、利用葡萄糖转运蛋白和葡萄糖激酶突变体，并结合呼吸链抑制剂及解偶联剂处理，发现只有可被代谢的葡萄糖才能诱导基因表达，且该过程依赖葡萄糖的摄取与磷酸化。进一步测定显示，ATP/ADP比值与基因表达无线性关系，而吖啶黄荧光监测表明葡萄糖处理约8分钟后胞质pH升高约0.25单位；呼吸链抑制剂HgCl₂、KCN和CCCP均完全抑制基因表达，且5 μM CCCP使吖啶黄荧光降至25%，15 μM CCCP使基因表达降低50%。该研究首次在光合原核生物中证明胞质pH升高而非氧化还原状态或能量状态是介导葡萄糖激活类胡萝卜素基因转录的关键信号，提出了呼吸链驱动胞质碱化促进基因表达的工作模型，为理解蓝藻碳源信号感知与环境适应提供了新视角。
创新点
首次在光合原核生物中证明胞质pH升高（而非氧化还原状态、ATP/ADP或葡萄糖感知）是介导葡萄糖诱导类胡萝卜素基因表达的关键信号；提出了呼吸链驱动的胞质碱化促进crt基因转录的工作模型。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 基因表达受光和葡萄糖诱导，黑暗中葡萄糖通过胞质pH升高激活转录 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | crtP | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 基因表达受光和葡萄糖诱导，黑暗中葡萄糖通过胞质pH升高激活转录 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | crtQ | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | 基因表达受光和葡萄糖诱导，黑暗中葡萄糖通过胞质pH升高激活转录 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | crtR | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 基因表达受光和葡萄糖诱导，黑暗中葡萄糖通过胞质pH升高激活转录 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 葡萄糖代谢 | glcP | 葡萄糖转运蛋白 | 转运 | 负责葡萄糖的摄取；缺失突变体ΔglcP中葡萄糖诱导的crt基因表达消失 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 葡萄糖代谢 | gk | 葡萄糖激酶 | 催化 | 催化葡萄糖磷酸化；缺失突变体Δgk中葡萄糖诱导的crt基因表达消失 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 呼吸电子传递 | ndh (NADPH脱氢酶) | NADPH脱氢酶（NDH-1） | 能量供给 | M55突变体（NDH缺陷）中葡萄糖无法诱导crt基因表达；负责将NAD(P)H电子输入质体醌池 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 呼吸电子传递 | ctaC/ctaD (细胞色素c氧化酶) | 细胞色素c氧化酶（CtaI） | 能量供给 | 末端氧化酶；抑制或缺陷时影响质子泵和胞质碱化；DBMIB仅部分抑制该酶 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 呼吸电子传递 | cyd (奎诺氧化酶) | 奎诺氧化酶（Cyd） | 能量供给 | 末端氧化酶；Cyd缺陷细胞仍保留部分葡萄糖诱导能力，DBMIB对其无抑制 |
关键发现
- 黑暗中10 mM葡萄糖处理15 min即可显著诱导crtB、crtP、crtQ、crtR的转录，且被转录抑制剂利福平（300 μg/ml）阻断
- 葡萄糖类似物L-葡萄糖、3-O-甲基葡萄糖、2-脱氧葡萄糖和甘露糖（10 mM）均不能诱导基因表达，ΔglcP和Δgk突变体中也无诱导，表明葡萄糖的摄取和进一步代谢是必需的。呼吸链抑制剂HgCl2（10 μM）、KCN（0.1 mM）和CCCP（50 μM）完全抑制葡萄糖诱导，而DBMIB（10 μM）仅部分抑制。ATP含量和ATP/ADP比值与基因表达无线性相关。葡萄糖处理在约8 min后使吖啶黄荧光达到峰值（ΔF/F0=0.85，约为饱和光的50%），估算胞质pH升高约0.25单位
- CCCP以剂量依赖方式降低吖啶黄荧光和基因表达，5 μM CCCP使荧光降至25%，15 μM CCCP使基因表达降低50%，基因表达在吖啶黄荧光高于25%时趋于饱和。
研究结论
在Synechocystis sp. PCC 6803中，外源葡萄糖经葡萄糖转运蛋白和葡萄糖激酶代谢后，通过呼吸电子传递链引起胞质碱化（胞质pH升高），进而激活类胡萝卜素生物合成基因crtB、crtP、crtQ和crtR的转录；该过程不依赖葡萄糖感知、胞质氧化还原状态或ATP能量状态，而是由胞质pH变化介导。