Peroxisomal compartmentalization of amino acid biosynthesis reactions imposes an upper limit on compartment size
- 作者
- Ying Gu, Sara Alam, Snezhana Oliferenko
- 单位
- The Francis Crick Institute
- 杂志
- Nature Communications（2023）
- DOI
- 10.1038/s41467-023-41347-x
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
过氧化物酶体区室化氨基酸生物合成反应是否有助于细胞功能？区室大小是否存在最优上限？
研究策略
以裂殖酵母 Schizosaccharomyces japonicus 为模型，通过基因敲除、点突变、蛋白质定位改造、代谢组学和荧光显微成像，研究赖氨酸和组氨酸生物合成最后步骤在过氧化物酶体中的区室化及其对细胞氧化还原平衡和过氧化物酶体大小的影响。
核心内容
以裂殖酵母Schizosaccharomyces japonicus为模型，研究者通过基因敲除、点突变、蛋白定位改造及代谢组学等手段，考察了赖氨酸和组氨酸生物合成最后步骤在过氧化物酶体中的区室化功能。结果显示，gpd2Δ细胞在基本培养基上完全停止生长，仅在补充赖氨酸和组氨酸后才恢复，且细胞从丰富培养基转入基本培养基后NAD+/NADH比值显著下降，表明区室化反应与Gpd2介导的NADH/NAD+循环相耦合，对维持氧化还原平衡至关重要。pex5Δ细胞中赖氨酸水平上升近4倍，而pex11Δ细胞过氧化物酶体体积中位数达9.64×10⁻³ μm³，约为野生型的2.1倍，此时细胞生长受损；进一步构建的pex11Δ pex5-W224A双突变体将过氧化物酶体体积降至5.09×10⁻³ μm³，恢复了野生型样生长。将Lys3或His2锚定至胞质亦能挽救pex11Δ细胞在基本培养基中的生长缺陷。这些结果首次表明，过氧化物酶体区室化氨基酸合成虽有助于贫养条件下的氧化还原稳态，但区室大小对反应生产力存在上限约束，过大的过氧化物酶体因酶堆积密度等因素反而降低区室化效率。
创新点
揭示了过氧化物酶体内 NAD+ 依赖的赖氨酸/组氨酸生物合成与 Gpd2 介导的 NADH/NAD+ 循环耦合；证明了区室化对于维持细胞氧化还原平衡和氨基酸稳态的必要性；首次提出过氧化物酶体大小对区室化生物合成反应生产力存在上限约束。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Schizosaccharomyces japonicus | 赖氨酸生物合成 | lys3 | Lys3 | 催化 | NAD+依赖的酵母氨酸脱氢酶，催化赖氨酸生物合成最后一步，携带PTS1信号定位于过氧化物酶体 |
| Schizosaccharomyces japonicus | 组氨酸生物合成 | his2 | His2 | 催化 | NAD+依赖的组氨醇脱氢酶，催化组氨酸生物合成最后一步，携带PTS1信号定位于过氧化物酶体 |
| Schizosaccharomyces japonicus | 甘油-3-磷酸代谢/氧化还原平衡 | gpd2 | Gpd2 | 催化 | 过氧化物酶体NADH依赖的甘油-3-磷酸脱氢酶，N端PTS2定位，通过将DHAP还原为G3P再生NAD+，为赖氨酸/组氨酸合成提供辅因子 |
| Schizosaccharomyces japonicus | 甘油-3-磷酸代谢/氧化还原平衡 | gpd1 | Gpd1 | 催化 | 胞质NADH依赖的甘油-3-磷酸脱氢酶，主要维持细胞质氧化还原平衡，与Gpd2功能互补 |
| Schizosaccharomyces japonicus | 过氧化物酶体蛋白转运 | pex5 | Pex5 | 转运 | PTS1受体，负责将Lys3、His2等PTS1货物导入过氧化物酶体，同时作为Pex7的共受体参与PTS2货物导入 |
| Schizosaccharomyces japonicus | 过氧化物酶体蛋白转运 | pex7 | Pex7 | 转运 | PTS2受体，负责将Gpd2等PTS2货物导入过氧化物酶体 |
| Schizosaccharomyces japonicus | 过氧化物酶体分裂 | pex11 | Pex11 | 区室化 | 过氧化物酶体分裂因子，缺失导致过氧化物酶体数目减少、体积增大，影响氨基酸生物合成效率 |
| Schizosaccharomyces japonicus | 过氧化物酶体生物发生 | pex3 | Pex3 | 区室化 | 过氧化物酶体从头生物发生必需因子，缺失完全消除过氧化物酶体 |
| Schizosaccharomyces japonicus | 氧化应激响应 | ctt1 | Ctt1 | 催化 | 胞质过氧化氢酶，其上调指示氧化应激，在gpd2Δ和pex11Δ细胞中显著升高 |
| Schizosaccharomyces japonicus | 赖氨酸生物合成 | lys4 | Lys4 | 催化 | 高柠檬酸合酶，催化赖氨酸生物合成第一步，在S. japonicus中定位于线粒体，与其它裂殖酵母不同 |
关键发现
- gpd2Δ细胞在基本培养基（EMM）中完全停止生长，仅当补充赖氨酸和组氨酸时才恢复生长
- 从丰富培养基（YES）转入EMM后，细胞NAD+/NADH比值显著下降
- pex5Δ细胞中赖氨酸水平几乎增加4倍
- pex11Δ细胞在EMM中过氧化物酶体体积中位数为9.64×10^-3 μm^3，是野生型（4.56×10^-3 μm^3）的约2.1倍
- pex11Δ pex5-W224A双突变体过氧化物酶体体积降至5.09×10^-3 μm^3，并恢复野生型样生长
- 在pex11Δ细胞中将Lys3或His2锚定到胞质可恢复其在EMM中的生长，表明过氧化物酶体大小是决定区室化反应生产力的关键因素。
研究结论
过氧化物酶体区室化 NAD+ 依赖的氨基酸生物合成反应有助于细胞在营养贫乏条件下维持氧化还原平衡，但该区室化对过氧化物酶体大小施加了上限，过大的过氧化物酶体因酶堆积密度等因素导致区室化反应生产力下降。