Hexokinase is necessary for glucose-mediated photosynthesis repression and lipid accumulation in a green alga
- 作者
- Melissa S. Roth, Daniel J. Westcott, Masakazu Iwai, Krishna K. Niyogi
- 杂志
- Communications Biology（2019）
- DOI
- 10.1038/s42003-019-0577-1
- 所属领域
- 代谢生物学
- 关键词
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解决的核心问题
绿色微藻Chromochloris zofingiensis中葡萄糖诱导的光合作用关闭和脂质/虾青素积累的分子调控机制，尤其是己糖激酶的作用。
研究策略
采用正向遗传学筛选（UV诱变和2-脱氧葡萄糖选择）获得光合作用不关闭的突变体，通过全基因组测序鉴定突变基因，并通过生理、生化、显微成像和转录定量分析验证基因功能。
研究路线图
核心内容
该研究以绿色微藻Chromochloris zofingiensis为对象，通过UV诱变结合2-脱氧葡萄糖筛选获得光合作用不关闭的突变体，全基因组测序（平均94×覆盖度）鉴定出8个独立突变均位于单拷贝己糖激酶基因CzHXK1。生理与转录分析表明，与野生型相比，hxk1突变体在35 mM葡萄糖处理84 h后仍维持PSII效率，Fv/Fm不下降，净氧气释放不降低，且不积累虾青素、三酰甘油和细胞质脂滴。葡萄糖处理0.5 h内CzHXK1 mRNA快速上调约30倍，光合相关核基因在12 h被强烈下调，脂质代谢基因上调均依赖CzHXK1。突变体仍保留葡萄糖代谢能力，呼吸增强、细胞体积增大、黑暗中可生长。该结果首次在绿藻中鉴定出单一己糖激酶基因作为葡萄糖介导的光合作用抑制及脂质/虾青素积累的主调控因子，可能通过信号级联或代谢中间产物发挥作用，为研究真核糖信号转导提供了简单模式系统。
创新点
首次在绿藻中鉴定出单一己糖激酶基因CzHXK1作为葡萄糖介导的光合作用抑制、虾青素和甘油三酯积累的主调控因子，为研究真核糖信号转导提供了简单模式系统。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chromochloris zofingiensis | 糖酵解/葡萄糖代谢 | CzHXK1 | 己糖激酶1 | 催化 | 葡萄糖磷酸化生成G6P，也是葡萄糖信号调控光合作用和脂质积累的关键因子。 |
| Chromochloris zofingiensis | 葡萄糖代谢 | Cz06g03010 | 葡萄糖激酶 | 催化 | 在hxk1突变体中仍能磷酸化葡萄糖，支持突变体在葡萄糖上的生长。 |
| Chromochloris zofingiensis | 光合作用 | PSAH1, PSBO1, LHC16, RBCS1 | — | 能量供给 | 编码光合机构蛋白，其表达受CzHXK1调控，在葡萄糖处理下被下调。 |
| Chromochloris zofingiensis | 糖酵解 | GAP1 | 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 葡萄糖处理下在野生型中上调，在hxk1突变体中不受诱导。 |
| Chromochloris zofingiensis | 脂肪酸生物合成 | FAD2 | 脂肪酸去饱和酶 | 催化 | 葡萄糖响应基因，其上调依赖CzHXK1。 |
| Chromochloris zofingiensis | 脂肪酸生物合成 | SAD1 | 硬脂酰ACP去饱和酶 | 催化 | 与脂肪酸去饱和相关，受CzHXK1调控。 |
| Chromochloris zofingiensis | 糖转运 | SPM1 | 推定的糖转运蛋白 | 转运 | 推定的糖转运蛋白基因，其诱导依赖CzHXK1。 |
| Chromochloris zofingiensis | 脂滴形成 | MLDP1 | 主要脂滴蛋白 | 区室化 | 与细胞质脂滴形成相关，其表达依赖CzHXK1。 |
关键发现
通过正向遗传学筛选获得8个独立hxk1突变体，全基因组测序（平均94×覆盖度）显示所有突变均位于单拷贝己糖激酶基因CzHXK1。与野生型相比，突变体在35 mM葡萄糖处理84 h后仍维持PSII效率（Fv/Fm不下降）、净氧气释放不降低，且不积累虾青素、三酰甘油和细胞质脂滴。葡萄糖处理0.5 h内CzHXK1 mRNA快速上调（约30倍），而光合相关核基因（PSAH1、PSBO1、LHC16、RBCS1）在12 h被强烈下调，脂质代谢基因（GAP1、FAD2、SAD1、SPM1、MLDP1）上调均依赖CzHXK1。突变体仍保留葡萄糖代谢能力（呼吸增强、细胞体积增大、黑暗中可生长）。
研究结论
CzHXK1是葡萄糖诱导的光合作用关闭及脂质/虾青素积累所必需的调控因子，可能通过信号级联或代谢中间产物发挥作用；Chromochloris zofingiensis可作为研究绿藻糖感知与信号传导的简单模式系统。