Identification and functional characterisation of cellobiose and lactose transport systems in Lactococcus lactis IL1403
- 作者
- Magdalena Kowalczyk, Muriel Cocaign-Bousquet, Pascal Loubiere, Jacek Bardowski
- 杂志
- Archives of Microbiology（2007）
- DOI
- 10.1007/s00203-007-0308-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定Lactococcus lactis IL1403中负责纤维二糖和乳糖转运的系统，并解析其调控机制，尤其是解释乳糖阴性菌株IL1403在纤维二糖存在下能够代谢乳糖的分子基础。
研究策略
结合生理学（生长动力学、发酵产物分析）、生物化学和宏阵列转录分析，比较野生型IL1403与ccpA、bglR单突变及ccpA/bglR双突变体在不同碳源上的生长特性和基因表达差异，重点分析PEP:PTS区域的候选转运基因。
核心内容
该研究以乳酸乳球菌IL1403为对象，通过生长动力学、发酵产物分析及宏阵列转录分析，结合ccpA、bglR单突变与双突变体，系统鉴定了纤维二糖和乳糖的转运系统及其调控机制。结果显示，纤维二糖和乳糖由同一套PTS系统（celB、ptcB、ptcA）转运，该系统受纤维二糖诱导并被CcpA负调控，而水杨苷等β-糖苷的转运则受BglR独立调控。野生型在1%纤维二糖中的最大比生长速率为0.59 h⁻¹，ccpA突变体虽在纤维二糖上生长略慢，却获得了以乳糖为唯一碳源的能力（μ=0.05 h⁻¹），而野生型不能。转录分析证实celB、ptcB、ptcA在纤维二糖上的表达较葡萄糖升高逾1.5倍，且在ccpA突变体中进一步上调。纤维二糖与乳糖共代谢呈典型三阶段，碳回收率91%–96%，乳酸为主要产物。该工作首次阐明IL1403中纤维二糖与乳糖共用同一PTS系统，并揭示了CcpA介导的碳分解代谢物阻遏如何决定其乳糖阴性表型，为乳酸菌碳源利用改造提供了分子靶点。
创新点
首次提出L. lactis IL1403中纤维二糖和乳糖由同一套PTS系统（celB、ptcB、ptcA）转运，该系统受纤维二糖诱导并被CcpA负调控，且不同于salicin等β-糖苷的转运系统（后者受BglR调控）。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lactococcus lactis IL1403 | 纤维二糖/乳糖PTS转运 | celB | Cellobiose-specific PTS IIC component | 转运 | 纤维二糖/乳糖PTS转运系统候选组分，转录受CcpA负调控 |
| Lactococcus lactis IL1403 | 纤维二糖/乳糖PTS转运 | ptcB | Cellobiose-specific PTS IIB component | 转运 | 纤维二糖/乳糖PTS转运系统候选组分，转录受CcpA负调控 |
| Lactococcus lactis IL1403 | 纤维二糖/乳糖PTS转运 | ptcA | Cellobiose-specific PTS IIA component | 转运 | 纤维二糖/乳糖PTS转运系统候选组分，转录受CcpA负调控 |
| Lactococcus lactis IL1403 | 全局碳代谢调控 | ccpA | Catabolite control protein A (CcpA) | 调控 | 负调控纤维二糖/乳糖PTS基因表达，ccpA突变使乳糖阳性 |
| Lactococcus lactis IL1403 | β-糖苷代谢调控 | bglR | BglR (β-glucoside operon antiterminator) | 调控 | 调控salicin等β-糖苷分解代谢，不参与cellobiose转运调控 |
| Lactococcus lactis IL1403 | β-糖苷/乳糖分解代谢 | bglS | P-β-glucosidase (β-glucosidase) | 催化 | 位于celB下游，破坏后菌株无法在乳糖培养基中生长 |
关键发现
- 野生型IL1403在1%纤维二糖中的最大比生长速率为0.59±0.04 h^-1，ccpA突变体为0.46±0.02 h^-1，bglR突变体为0.63±0.05 h^-1，双突变体为0.48±0.02 h^-1
- ccpA突变体可以乳糖为唯一碳源生长（μ=0.05±0.01 h^-1），而野生型和bglR突变体不能
- 在葡萄糖上野生型μ=0.94±0.06 h^-1，ccpA突变体为0.41±0.02 h^-1
- 在salicin上野生型μ=0.08±0.02 h^-1，ccpA突变体为0.28±0.03 h^-1，双突变体为0.25±0.03 h^-1。纤维二糖和乳糖共代谢呈三阶段：先纤维二糖，后两者共代谢，最后仅剩乳糖
- 所有菌株碳回收率91-96%，乳酸占总产物80%以上。纤维二糖最大比消耗速率在1%-1.5%时野生型为8.73 mmol g^-1 h^-1，0.1%时约5.36 mmol g^-1 h^-1
- 乳糖比消耗速率约0.5-0.6 mmol g^-1 h^-1。转录分析显示celB、ptcB和ptcA在纤维二糖上表达量较葡萄糖升高（相对丰度>1.5倍），且在ccpA突变体中进一步升高，表明受CcpA负调控。
研究结论
L. lactis IL1403中纤维二糖和乳糖主要由一套PTS系统（由celB、ptcB和ptcA编码）转运，该系统可被纤维二糖诱导、受CcpA负调控，且不同于salicin的转运系统（后者受BglR调控）。