Induction of pyruvate decarboxylase in glycolysis mutants of Saccharomyces cerevisiae correlates with the concentrations of three-carbon glycolytic metabolites
- 作者
- Eckhard Boles, Friedrich K. Zimmermann
- 单位
- Institut für Mikrobiologie, Technische Hochschule, Schnittspahnstrasse 10, D-64287 Darmstadt, Germany
- 杂志
- Current Genetics（1993）
- DOI
- 10.1007/BF00292085
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
研究丙酮酸脱羧酶在糖酵解突变体中的诱导机制，确定哪些糖酵解代谢物是诱导PDC所必需的信号分子。
研究策略
构建一系列糖酵解基因（FBA1、TPI1、PGK1、GPM1、PYK1）缺失突变体，在糖异生和糖酵解条件下测定丙酮酸脱羧酶活性与糖酵解中间代谢物浓度，通过相关分析揭示诱导信号。
核心内容
该研究通过构建酿酒酵母一系列糖酵解基因缺失突变体，系统探究丙酮酸脱羧酶（PDC）的诱导信号分子。研究者分别敲除FBA1、TPI1、PGK1、GPM1和PYK1等基因，在糖异生与糖酵解条件下测定PDC活性及糖酵解中间代谢物浓度，并进行相关性分析。结果显示，野生型以乙醇为碳源时PDC活性极低，加入葡萄糖后升高约10倍；在糖异生条件下，fba1Δ、gpm1Δ和pgk1Δ突变体的PDC活性比野生型高3至4倍。三碳糖代谢物的总和而非单一代谢物浓度与PDC活性相关，其中gpm1Δ在糖酵解条件下积累最高水平的三碳化合物（3-磷酸甘油酸22.4 nmol/mg干重，磷酸烯醇式丙酮酸11.2 nmol/mg干重），其葡萄糖诱导的PDC活性亦最高。hxk1/hxk2双突变体中，果糖几乎不能诱导PDC（37 mU/mg蛋白），而葡萄糖可诱导至1162 mU/mg蛋白。此外，丙酮酸激酶在fba1Δ中升高3倍，但其诱导不依赖三碳代谢物。由此得出结论：PDC的完全诱导需要己糖磷酸与三碳糖代谢物协同作用，三碳代谢物作为必需信号分子，而丙酮酸激酶受不同信号调控，揭示糖酵解代谢物对下游基因表达的多层次调控机制。
创新点
发现丙酮酸脱羧酶的完全诱导需要己糖磷酸与三碳糖代谢物协同作用；三碳糖代谢物的总和（而非单一代谢物）与PDC活性相关；不同糖酵解阻断位置导致不同的诱导响应，且fba1Δ突变体在糖异生条件下出现最高PDC活性。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解/丙酮酸代谢 | PDC1 | 丙酮酸脱羧酶(Pyruvate decarboxylase) | 催化 | 主要PDC活性来源，受转录调控，葡萄糖诱导表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解/丙酮酸代谢 | PDC5 | 丙酮酸脱羧酶同工酶 | 催化 | 与PDC1同源的次要结构基因 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解/丙酮酸代谢 | PDC6 | 丙酮酸脱羧酶同工酶 | 催化 | 第三个PDC结构基因，表达水平较低 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解 | FBA1 | 果糖-1,6-二磷酸醛缩酶 | 催化 | 缺失突变体EBY8在糖异生条件下积累最高三碳代谢物并显示最高PDC活性 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解 | TPI1 | 磷酸丙糖异构酶 | 催化 | 缺失突变体EBY88，PDC诱导低于野生型 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解 | PGK1 | 磷酸甘油酸激酶 | 催化 | 缺失突变体EBY71，PDC活性升高但葡萄糖诱导仍低于野生型 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解 | GPM1 | 磷酸甘油酸变位酶 | 催化 | 缺失突变体EBY66，糖酵解条件下三碳代谢物积累最高，葡萄糖诱导PDC活性最高 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解 | PYK1 | 丙酮酸激酶 | 催化 | 缺失突变体EBY55，PDC活性约为野生型2倍，且受不同信号调控 |
| Saccharomyces cerevisiae | 己糖磷酸化 | HXK1 | 己糖激酶1 | 催化 | 单缺失不影响PDC诱导，与HXK2双缺失时果糖无法诱导PDC |
| Saccharomyces cerevisiae | 己糖磷酸化 | HXK2 | 己糖激酶2 | 催化 | 单缺失不影响PDC诱导，与HXK1双缺失时果糖无法诱导PDC |
| Saccharomyces cerevisiae | 己糖磷酸化 | GLK1 | 葡萄糖激酶 | 催化 | 仅磷酸化葡萄糖，因此在hxk1/hxk2双突变体中葡萄糖仍可诱导PDC |
关键发现
- 野生型酵母在乙醇上生长时PDC活性很低，加入葡萄糖后活性增加至10倍
- 半乳糖诱导较弱，甘油更弱。在糖异生条件下（乙醇/乙酸），fba1Δ、gpm1Δ和pgk1Δ突变体PDC活性比野生型高3-4倍，tpi1Δ和pyk1Δ约高2倍。葡萄糖添加后所有突变体PDC活性增加但均未达野生型水平
- fba1Δ中几乎不增加。gpm1Δ在糖酵解条件下积累最高三碳代谢物（如3-P-甘油酸22.4 nmol/mg dw, PEP 11.2 nmol/mg dw），且葡萄糖诱导PDC活性最高。hxk1/hxk2双突变体中，果糖不能诱导PDC（37 mU/mg蛋白），葡萄糖可诱导（1162 mU/mg蛋白）。野生型半乳糖培养PDC活性约500 mU/mg蛋白。丙酮酸激酶活性在fba1Δ糖异生时比野生型高3倍，gpm1Δ和pgk1Δ高2倍，tpi1Δ为野生型水平。
研究结论
丙酮酸脱羧酶的完全诱导需要己糖磷酸和三碳糖代谢物的共同积累；三碳糖代谢物是必需的第二信使类信号，而丙酮酸激酶诱导不依赖三碳代谢物，提示两条途径受不同代谢信号调控。