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微生物代谢工程与比较基因组学研究组

研究组长:杨琛,研究员,重点实验室副主任

主要研究方向及内容:
本课题组致力于定量理解与人工调控细胞代谢网络的运行。主要研究兴趣包括:(1)开发代谢流量分析技术,建立代谢流量组与代谢组分析技术平台;(2)研究重要模式及工业微生物代谢网络调控的分子机制,揭示各种调节机制对代谢流量的调控机理,为合理改造细胞代谢、优化微生物生产提供理论依据;(3)开展光合微生物的代谢工程与合成生物学研究,建立萜类化合物的光合自养细胞工厂。

研究队伍:
工作人员:高方、朱虹
博士后:聂小群
研究生:张昊、杨彬、刘玉洁、王甜甜、董文越、周洁、周海雁

年度研究进展:

(1)发现了一条新的氮代谢途径—鸟氨酸-氨循环
生物在进化过程中形成适应外界营养环境变化的代谢系统及分子机制。例如,陆生动物进化出著名的鸟氨酸-尿素循环,用于处理食物中蛋白质降解所产生的大量氨。在蓝细菌的天然生存环境中氮源往往匮乏,使其处于氮饥饿状态。虽然前人比较了蓝细菌在氮充足与氮限条件下转录、蛋白质以及代谢物等水平上的差异,但是目前对于蓝细菌如何动态调节其胞内代谢来响应与适应外界氮源的变化,仍然缺乏系统的认识。
我们发现当Synechocystis sp. PCC 6803细胞从氮限条件转换到含有充足硝酸盐的培养基上,细胞的生长速率立即完全恢复,代谢组学分析显示精氨酸合成途径上的中间代谢物浓度迅速增加;利用动态15N及13C示踪技术结合代谢组学分析及数学建模,我们发现鸟氨酸和精氨酸之间存在活跃的物质循环。为了找到催化精氨酸生成鸟氨酸的酶,我们敲除了所有编码可能的精氨酸降解酶的基因,发现其中一个缺失了基因argZ的突变株在以精氨酸为氮源的培养基上不能生长,其胞内精氨酸大量累积,精氨酸到鸟氨酸的反应被中止;通过对ArgZ蛋白进行表达纯化以及生化分析,发现其催化一个新的生化反应—水解精氨酸生成鸟氨酸、氨及二氧化碳,即ArgZ为一个精氨酸双水解酶。因此,我们在Synechocystis中发现了一个新的代谢途径—鸟氨酸-氨循环(图1A)。进而我们发现在氮源供应波动条件下,argZ突变株与野生型相比生长速率显著降低(图1B)。通过比较分析野生型与突变株的动态代谢流量及代谢物谱,我们发现鸟氨酸-氨循环与氮同化的谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶(GS-GOGAT)循环相偶联,在氮源充足时鸟氨酸-氨循环促使氮同化及存储以最大速率进行,在氮源匮乏时该循环使得精氨酸及藻青素中存储的氮素被迅速再利用,满足细胞生长的需要。因此,鸟氨酸-氨循环具有氮储存和活化的功能,对于蓝细菌适应环境氮源缺乏和变化是必需的途径。
鸟氨酸-氨循环比鸟氨酸-尿素循环更为古老,它的存在提示不同物种为适应其生存环境可能进化出各种鸟氨酸循环。鸟氨酸-氨循环在蓝细菌中广泛存在,尤其是作为海洋氮固定主要贡献者的固氮蓝细菌。我们实验证实固氮蓝细菌Cyanothece sp. ATCC 51142在固氮条件下胞内的鸟氨酸-氨循环也是非常活跃的。因此,鸟氨酸-氨循环很可能对于海洋氮固定乃至地球的氮循环具有重要贡献。


图1. 新发现的氮代谢途径—鸟氨酸-氨循环。(A)精氨酸双水解酶参与组成的鸟氨酸-氨循环途径;(B)氮源供应波动条件下argZ突变株与野生型的生长。
Fig. 1. Ornithine-ammonia cycle. (A) Arginine dihydrolase involved in the ornithine-ammonia cycle (B) Growth of Synechocystis wild-type and argZ mutant strains under nitrogen oscillation condition.

(2)梭菌中Sigma 54转录调控网络的比较基因组学重构
Sigma 54是唯一一个不属于Sigma 70家族的Sigma因子。它需要增强子结合蛋白(enhancer binding protein,EBP)与其相互作用,才能起始基因的转录。在革兰氏阴性菌中sigma54主要调控氮同化及鞭毛的合成,尽管Sigma和EBP广泛存在于许多梭菌中,它们的功能尚不清楚。我们利用比较基因组学技术,重构了57株梭菌中Sigma54的转录调控网络,包括490个EBP的转录调节子。我们发现在梭菌中Sigma 54主要调控中心碳代谢和氨基酸代谢,而且不同生理特性的梭菌中Sigma54所调控的基因并不相同(图2)。例如在以氨基酸为主要能量来源的艰难梭菌中,Sigma54主要调控氨基酸分解代谢相关的基因;在以碳水化合物为主要碳源的拜氏梭菌中,Sigma54主要调控中心碳代谢相关的基因。与革兰氏阴性菌中EBP往往包含应答调控蛋白结构域不同,梭菌中EBP的N端结构域几乎都能直接结合信号分子,多数EBP都包含Per-Arnt-Sim (PAS)结构域。我们推测这些EBP感受梭菌细胞内的氧化还原或能量状态,与Sigma54共同调控能量代谢相关重要基因的转录表达。通过结合遗传和生化的方法,我们证实了Sigma54和一个EBP在拜氏梭菌中的调控基因和生理功能,结果表明,Sigma54和该EBP通过调控醇脱氢酶基因的表达,控制乙醇和丁醇的生成。同时,我们还鉴定了该EBP的信号感受机制,发现它的N端结构域通过结合辅因子Fe2+来感受胞内的氧化还原状态,调节EBP的活性。


图2. 梭菌中的Sigma54转录调控网络.(A)中心碳代谢;(B)氨基酸代谢。
Fig. 2. Reconstructed sigma54 transcriptional regulatory network in clostridia. The genes involved in central carbon metabolism (A) and amino acid metabolism (B) are predicted to be regulated by sigma54.

年度代表性论文:

  1. Hao Zhang, Yujie Liu, Xiaoqun Nie, Lixia Liu, Qiang Hua, Guo-Ping Zhao, Chen Yang*. (2018) The cyanobacterial ornithine–ammonia cycle involves an arginine dihydrolase. Nature Chemical Biology, 14(6):575-581.
  2. Yangyang Shao, Ning Lu, Zhenfang Wu, Chen Cai, Shanshan Wang, Lingli Zhang, Fan Zhou, Shijun Xiao, Lin Liu, Xiaofei Zeng, Huajun Zheng, Chen Yang, Zhihu Zhao, Guo-Ping Zhao*, Jin-Qiu Zhou*, Xiaoli Xue*, Zhongjun Qin*. (2018) Creating a functional single-chromosome yeast. Nature, 560:331-335.
  3. Manman Zhang, Chao Gao*, Xiaoting Guo, Shiting Guo, Zhaoqi Kang, Dan Xiao, Jinxin Yan, Fei Tao, Wen Zhang, Wenyue Dong, Pan Liu, Chen Yang, Cuiqing Ma, Ping Xu*. (2018) Increased glutarate production by blocking the glutaryl-CoA dehydrogenation pathway and a catabolic pathway involving L-2-hydroxyglutarate. Nature Communications, 9:2114.
  4. Elizabeth Brunk, Roger L. Chang, Jing Xia, Hooman Hefzi, James T. Yurkovich, Donghyuk Kim, Evan Buckmiller, Harris H. Wang, Byung-Kwan Cho, Chen Yang, Bernhard O. Palsson, George M. Church, Nathan E. Lewis. (2018) Characterizing posttranslational modifications in prokaryotic metabolism using a multiscale workflow. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 115(43):11096-11101.
  5. Hao Zhang, Chen Yang*. (2018) Arginine and nitrogen mobilization in cyanobacteria. Molecular Microbiology, submitted.
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