Changes in protein synthesis and identification of proteins specifically induced during solventogenesis in Clostridium acetobutylicum
- 作者
- Steffen Schaffer, Necdet Isci, Brigitte Zickner, Peter Dürre
- 单位
- Mikrobiologie und Biotechnologie, Universität Ulm, Ulm, Germany
- 杂志
- Electrophoresis（2002）
- DOI
- 10.1002/1522-2683(200201)23:1<110::AID-ELPS110>3.0.CO;2-G
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
识别丙酮丁醇梭菌从酸生成转向溶剂生成过程中特异性诱导的蛋白质，理解代谢转换的分子机制。
研究策略
利用连续培养控制酸生成和溶剂生成状态，采用二维凝胶电泳结合放射性标记比较蛋白质合成速率，通过N端微测序鉴定差异蛋白，并用Northern blot和引物延伸分析验证相关基因的转录调控。
研究路线图
核心内容
该研究利用连续培养严格控制丙酮丁醇梭菌DSM 792的酸生成与溶剂生成状态，结合二维凝胶电泳和放射性标记比较两种生理状态下蛋白质合成速率，并通过N端微测序鉴定差异蛋白，再用Northern blot等验证转录调控。在分析的130个蛋白中，溶剂生成期有52个蛋白合成增加超过2倍，34个降至酸生成期一半以下，7个蛋白诱导超过10倍。乙酰乙酸脱羧酶合成诱导36.2倍、丰度增加10.9倍；应激蛋白DnaK、GroEL、Hsp18分别诱导3.7、3.8和8.6倍；丝氨酸合成酶SerA、SerC诱导2.9倍，SerS诱导3.2倍。serCAXS操纵子转录于溶剂生成启动后7小时与adhE同时出现，产生5.5 kb和2 kb两种转录本。结果表明，酸向溶剂转换伴随剧烈蛋白质组重塑，除直接参与溶剂合成的酶外，多种应激蛋白及丝氨酸生物合成酶系也被协同诱导，说明溶剂生成是涉及广泛生理适应性调节的复杂过程。
创新点
首次对丙酮丁醇梭菌溶剂生成期进行全局蛋白质组分析，鉴定出多个受诱导的应激蛋白及丝氨酸生物合成相关酶系，并发现serCAXS操纵子受溶剂生成启动的转录调控。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 溶剂生成（丙酮/丁醇） | adc | 乙酰乙酸脱羧酶（Acetoacetate decarboxylase） | 催化 | 直接参与丙酮形成，合成诱导率36.2倍，存在pI差异的两个变体 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 应激响应 | dnaK | DnaK | 调控 | 热激蛋白，分子伴侣，合成诱导3.7倍 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 应激响应 | groEL | GroEL | 调控 | 热激蛋白，分子伴侣，合成诱导3.8倍 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 应激响应 | hsp18 | Hsp18 | 调控 | 小热激蛋白，合成诱导8.6倍，存在两个变体Hsp18 I和II |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 丝氨酸生物合成 | serA | 磷酸甘油酸脱氢酶（Phosphoglycerate dehydrogenase） | 催化 | 合成诱导2.9倍，与serC、serX、serS共转录 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 丝氨酸生物合成 | serC | 丝氨酸氨基转移酶（Serine aminotransferase） | 催化 | 合成诱导2.9倍，为serCAXS操纵子第一个基因 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 蛋白质合成（tRNA负载） | serS | 丝氨酰-tRNA合成酶（Seryl-tRNA synthetase） | 催化 | 合成诱导3.2倍，位于serCAXS操纵子末端 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 氨基酸生物合成（亮氨酸） | leuB | 异丙基苹果酸脱氢酶（Isopropylmalate dehydrogenase） | 催化 | 丰度在溶剂生成期增加3.2倍，合成速率未检出 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 糖酵解 | gap | 甘油醛-3-磷酸脱氢酶（Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase） | 催化 | 合成在溶剂生成期降至0.5倍，但丰度增加2.0倍 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 吡哆醇生物合成 | pdxY | 吡哆醇生物合成蛋白PdxY | 催化 | 合成诱导4.0倍，丰度增加3.3倍 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 溶剂生成（丁醇） | bdhA, bdhB | 丁醇脱氢酶A和B | 催化 | 用于监测溶剂生成，理论pI/分子量适合2-DE但未在胶上鉴定 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 溶剂生成（丁醇/丁醛） | adhE | 丁醛/丁醇脱氢酶 | 催化 | 溶剂生成标志基因，转录与serA同时被诱导 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 溶剂生成（乙酸/丁酸活化） | ctfA, ctfB | CoA转移酶亚基A和B | 催化 | 催化乙酸/丁酸转化为乙酰CoA/丁酰CoA，用于溶剂生成监测 |
| Clostridium acetobutylicum DSM 792 | 转运（ABC转运体） | 未知 | ABC转运蛋白ATP结合亚基（Hyp1） | 转运 | 与Adc II在同一蛋白点中鉴定，序列与多种细菌ABC转运蛋白相似 |
关键发现
- 在分析的130个蛋白中，溶剂生成期有52个蛋白合成增加超过2倍，34个蛋白降至不足酸生成期的一半；7个蛋白（spots 18, 28, 30, 36, 37, Adc I, 118）诱导超过10倍。乙酰乙酸脱羧酶（Adc）合成诱导率36.2倍，丰度增加10.9倍；DnaK合成诱导3.7倍，GroEL
- 8倍，Hsp18
- 6倍；丝氨酸合成酶SerA和SerC合成诱导率均为2.9倍，SerS为3.2倍。serCAXS操纵子转录在溶剂生成启动后7小时开始，与adhE转录同时出现，5.5 kb和2 kb两种转录本。
研究结论
丙酮丁醇梭菌从酸生成转向溶剂生成伴随着剧烈的蛋白质组变化，除直接参与溶剂形成的乙酰乙酸脱羧酶外，多种应激蛋白和丝氨酸生物合成酶系也被诱导，表明溶剂生成过程涉及广泛的生理适应性调节。