Horizontal acquisition of prokaryotic hopanoid biosynthesis reorganizes membrane physiology driving lifestyle innovation in a eukaryotic
- 作者
- Bhagyashree Dasari Rao, Elisa Gomez-Gil, Maria Peter, Gabor Balogh, Vanessa Nunes, James I. MacRae, Qu Chen, Peter B. Rosenthal, Snezhana Oliferenko
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-58515-w
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
真核生物如何通过水平基因转移获得原核类hopanoid合成能力，并将其整合到宿主膜生理中，从而在缺氧环境中生存并驱动生活方式创新。
研究策略
以裂殖酵母Schizosaccharomyces japonicus为模型，结合遗传学、脂质组学、模型膜生物物理分析（荧光各向异性、广义极化、冷冻电镜）和异源表达工程，解析水平转移的鲨烯-何帕烯环化酶Shc1的功能及其与麦角固醇合成通路的协作机制，并揭示甘油磷脂脂肪酰链不对称性在膜容纳两类三萜类化合物中的关键作用。
核心内容
该研究以裂殖酵母Schizosaccharomyces japonicus为模型，系统解析了水平基因转移获得的鲨烯-何帕烯环化酶Shc1的功能及其对膜生理和生活方式创新的驱动机制。遗传学实验表明，shc1缺失突变体在无氧条件下完全无法生长，而erg1突变体虽不能合成麦角固醇却仍可存活，但erg1与shc1双突变体无法获得，证明hopanoid与麦角固醇共同支撑膜功能。脂质组学显示野生型在常氧下即产生高水平hopanoid，其中diplopterol最为丰富。冷冻电镜和活细胞广义极化测量揭示，由不对称饱和甘油磷脂构成的膜厚度显著薄于对称不饱和膜，且两类三萜对膜有序性的贡献相当。将Shc1异源导入S. pombe后，diplopterol含量为0.266 mol%极性脂，远低于S. japonicus的3.134 mol%；通过弱启动子下调erg1表达后含量提升约2.5倍，并在Tween 80补充下实现厌氧生长和37°C高温耐受。该工作表明，新代谢模块的获取需伴随宿主代谢网络重塑，而膜脂不对称性是真核生物容纳异源萜类并产生新生理特性的关键适应。
创新点
['证明水平转移的鲨烯-何帕烯环化酶Shc1使S. japonicus在无氧环境中通过合成hopanoid替代固醇维持膜功能，从而摆脱对氧气的依赖。', '首次揭示甘油磷脂脂肪酰链不对称性（如SDPC型）是膜同时容纳hopanoid和ergosterol并支持相分离的结构基础。', '通过将Shc1异源导入S. pombe，证明新代谢能力的获取可赋予温度耐受和厌氧生长等新生理特性，但需要下调Erg1以优化hopanoid合成。']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Schizosaccharomyces japonicus | hopanoid生物合成 | shc1 | Shc1 (squalene-hopene cyclase) | 催化 | 通过水平基因转移获得，催化角鲨烯在无氧条件下环化生成hopanoids |
| Schizosaccharomyces japonicus | 麦角固醇生物合成 | erg1 | Erg1 (squalene epoxidase) | 催化 | 氧依赖的角鲨烯环氧酶，麦角固醇合成限速步骤，与Shc1竞争底物角鲨烯 |
| Schizosaccharomyces pombe | hopanoid生物合成 | shc1 | Shc1 | 催化 | 异源表达S. japonicus的Shc1，实现diplopterol合成，赋予新生理特性 |
| Schizosaccharomyces pombe | 麦角固醇生物合成 | erg1 | Erg1 | 催化 | 通过替换为弱rga3启动子下调其表达，以促进hopanoid合成效率 |
关键发现
- ['S. japonicus缺失shc1突变体在无氧条件下完全不能生长，而野生型可以
- shc1突变体对特比萘芬（Erg1抑制剂）敏感，表型与S. pombe相似。', 'S. japonicus erg1突变体（无法合成麦角固醇）仍可存活，但erg1和shc1双突变体在47个预期后代中无一获得，表明两者共同支撑膜功能。', '野生型S. japonicus在常氧下即产生高水平hopanoid，其中diplopterol最丰富
- shc1突变体不含hopanoid，erg1突变体不含ergosterol。', '在S. pombe中异源表达Shc1，diplopterol含量为0.266±0.035 mol%极性脂，远低于S. japonicus的3.134±0.311 mol%
- 通过弱启动子下调erg1表达后，diplopterol含量提高约2.5倍，并检测到次要hopanoids。', '冷冻电镜显示，由不对称饱和甘油磷脂SDPC构成的双层膜厚度(D_TT=27.78±1.72 nm)显著薄于对称不饱和POPC膜(36.39±2.83 nm)，且SDPC膜在ergosterol或diplopterol存在下均可发生相分离。', '活细胞C-劳丹广义极化（GP）测量显示，shc1Δ和erg1Δ突变体均显著降低质膜和核膜的有序性，表明两类三萜对膜有序性贡献相当。', '在Tween 80（不饱和脂肪酸）补充下，表达Shc1的S. pombe可在无氧条件下显著生长，并在37°C高温下表现出生长优势。']
研究结论
水平基因转移获得的鲨烯-何帕烯环化酶Shc1使S. japonicus能在缺氧环境下通过合成hopanoid替代固醇维持膜功能，其甘油磷脂脂肪酰链不对称性是为容纳两类三萜而进化的重要适应。将Shc1引入S. pombe可赋予新生理特性，但高效率合成hopanoid需要下调内源Erg1以消除底物竞争，表明新代谢模块的整合往往伴随宿主代谢网络的深度重塑。