LonB protease is a novel regulator of carotenogenesis controlling degradation of phytoene synthase in Haloferax volcanii
- 作者
- Micaela Cerletti, Roberto Paggi, Christian Troetschel, Maria Celeste Ferrari, Carina Ramallo Guevara, Stefan Albaum, Ansgar Poetsch, Rosana De Castro
- 单位
- Instituto de Investigaciones Biológicas, Universidad Nacional de Mar del Plata (UNMDP), Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Argentina; Plant Biochemistry, Ruhr University Bochum, Germany; Bioinformatics Resource Facility, Center for Biotechnology (CeBiTec), Bielefeld University, Germany; School of Biomedical and Healthcare Sciences, Plymouth University, UK
- 杂志
- Journal of Proteome Research（2018）
- DOI
- 10.1021/acs.jproteome.7b00809
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
古菌Haloferax volcanii中膜结合LonB蛋白酶是必需蛋白，但其天然底物未知，且类胡萝卜素合成（carotenogenesis）的翻译后调控机制尚不明确。本文旨在通过全蛋白质组周转分析鉴定LonB的天然底物，并揭示其对类胡萝卜素合成的调控作用。
研究策略
利用稳定同位素标记（14N/15N脉冲标记和13C内标）结合LC-MS/MS，对LonB条件突变株（HVLON3）在低LonB（-trp）和近生理LonB（+trp）水平下膜和细胞质蛋白质组的合成与降解速率进行定量分析；通过体内交联和免疫沉淀实验验证候选底物；结合基因敲除和生理表型分析验证PSY的功能。
核心内容
本研究利用稳定同位素标记（14N/15N脉冲标记与13C内标）结合LC-MS/MS蛋白质组学，对古菌Haloferax volcanii LonB条件突变株在低和近生理蛋白酶水平下的膜及细胞质蛋白质组进行了全周转定量分析，覆盖约45%基因组编码蛋白。结果显示LonB表达影响414个蛋白质的合成或降解速率，其中58个呈现典型底物降解模式。关键发现是八氢番茄红素合成酶（PSY）在LonB低水平时丰度增加50—60倍，诱导LonB后2小时内迅速降解，证实其为LonB天然底物。过表达PSY使细菌红素含量增加4倍并严重抑制生长，表明LonB通过降解PSY调控类胡萝卜素合成，这是该途径首次被报道的翻译后调控机制。此外，HVO_A0039蛋白丰度增加320倍，受LonB负调控。该研究首次测定古菌全蛋白质组周转，揭示LonB作为全局调控蛋白酶在类胡萝卜素合成及多种细胞过程中的核心作用。
创新点
首次测定古菌全蛋白质组周转；首次鉴定古菌LonB蛋白酶的候选天然底物；发现LonB通过降解八氢番茄红素合成酶（PSY）调控类胡萝卜素合成，这是一种新型的翻译后调控机制。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Haloferax volcanii (菌株H26和HVLON3) | 蛋白质降解 | lonB | LonB蛋白酶 | 催化 | 膜结合AAA+蛋白酶，本研究核心对象，调控多种底物降解 |
| Haloferax volcanii | 类胡萝卜素生物合成 | crtB (HVO_2524) | 八氢番茄红素合成酶 (PSY) | 催化 | 类胡萝卜素合成的限速酶，是LonB的直接底物，在LonB诱导后快速降解 |
| Haloferax volcanii | 甲羟戊酸途径 / 类异戊二烯生物合成 | HVO_2419 | HMG-CoA合酶 (HMGS) | 催化 | 候选LonB底物，降解模式与PSY相似 |
| Haloferax volcanii | 类胡萝卜素生物合成 | HVO_0817 | 八氢番茄红素脱氢酶 (PDH) | 催化 | 候选LonB底物，参与类胡萝卜素合成 |
| Haloferax volcanii | 信号转导 | HVO_0570 | 组氨酸激酶 | 调控 | 候选LonB底物，通过免疫沉淀验证与LonB互作 |
| Haloferax volcanii | 转运 | HVO_2801 | ABC型ATP结合蛋白（氨基酸转运） | 转运 | 候选LonB底物，膜相关蛋白 |
关键发现
- 鉴定到1801个蛋白质（约45%基因组覆盖）
- LonB表达影响414个蛋白质的合成和/或降解速率
- 58个蛋白质呈现符合LonB底物的降解模式（Lon低时几乎不降解，Lon高时降解增加）。PSY在HVLON3中丰度增加50-60倍，在LonB诱导后2小时内迅速降解，14N标记肽段几乎消失
- 过表达PSY导致细菌红素含量增加4倍并严重抑制生长。整体蛋白质降解速率在+Lon条件下显著升高（膜p=1.6E-11，细胞质p=2.20E-16）。HVO_A0039蛋白在HVLON3中增加320倍，其合成受LonB负调控。
研究结论
LonB蛋白酶通过降解八氢番茄红素合成酶（PSY）来调控Haloferax volcanii的类胡萝卜素合成，这是首次报道的类胡萝卜素合成途径的翻译后调控机制。LonB还影响多种细胞过程，是古菌中重要的全局调控蛋白酶。