青岛能源所揭示工业微藻应激产油的蛋白质组动态规律

景杰学术| 报道

工业产油微藻在缺氮胁迫下能大量合成油脂，这一应激反应是微藻能源的科学基础之一，一直受到学界与工业界的密切关注。近日，中国科学院青岛能源所单细胞中心徐健研究员与德国鲁尔大学植物生物化学系Ansgar Poetsch团队在专业学术期刊Biotechnology for Biofuels发表了最新研究成果。研究人员运用蛋白质组学技术，系统分析了微拟球藻缺氮胁迫下蛋白质组动态模型，揭示了该应激过程的三个生理阶段，为油脂代谢工程提供了新视角。

为了了解微拟球藻的缺氮胁迫机制，前期青岛能源所单细胞中心基于转录组和代谢物组构建了其机制模型[1]，然而，转录组层面和代谢物组层面的实验数据存在着重要差异，无法完全用基因表达到代谢调控之间的延迟解释。这是由于从转录到代谢物变化的过程中仍受到蛋白质层面的调控作用。

针对这一问题，研究人员运用Label-Free蛋白质组学定量技术（质谱策略），对微拟球藻正常条件下和缺氮胁迫下3h、6h、12h、24h、48h和10天的培养样品进行分析（样本策略），提供了微拟球藻缺氮胁迫下时间系列的蛋白质组数据。研究共定量到4114个蛋白质，蛋白质功能分类和富集分析等发现其可划分为明显的的3个阶段变化和八个功能簇，即从3h到12h，从12h到48h，一直到10d，12h为明显的相变点。

图微拟球藻N-/N+条件下的整体蛋白质组分析

研究人员进一步结合相对应的转录组与代谢组数据，全面地揭示了细胞在缺氮胁迫下合成甘油三酯的过程特征。该过程可分为三个不同阶段：

缺氮初期：此时细胞感受到了外界环境中氮元素的缺乏，但由于细胞内还有一定量的氮储备，其代谢过程的变化不明显。
缺氮中期：这一阶段细胞保存的氮已大致消耗完，需要通过蛋白质降解等方式来回收氨基酸中的氮，以维持细胞关键代谢过程的运转，同时光合作用与脂质代谢等过程也受到了不同程度的影响。
缺氮后期：细胞进一步提高蛋白质降解的速率，而三羧酸循环与油脂合成的速率大幅上调，光合作用速率虽有所下降但仍在工作。

图工业微藻应激产油的蛋白质组动态规律

这一修正后的模型更加精确地刻画了缺氮产油过程，并进一步证明甘油三酯从头合成对油脂积累起着主导作用，而膜脂回收仅占脂质积累的一小部分。研究结果为定向调控微藻代谢调控网络以提升油脂产率提供了一系列新的策略与目标。

该研究通过蛋白质组学系统整合了转录组与代谢组，体现了蛋白质组作为“中心法则”的中心环节的重要意义。此外，研究主要研究了蛋白质表达的丰度，而蛋白质修饰也是蛋白质组的重要层面，尤其是琥珀酰化、巴豆酰化、丙二酰化等酰化修饰在生物的核心代谢中发挥关键作用，提示我们未来从翻译后修饰角度进行分析，将是非常吸引人的新研究方向。

参考文献：

1. You, W., et al., 2020, A Integration of proteome and transcriptome refines key molecular processes underlying oil production in Nannochloropsis oceanica. Biotechnology for Biofuels.

2. Jing Li, et al., 2014, Choreography of Transcriptomes and Lipidomes of Nannochloropsis Reveals the Mechanisms of Oil Synthesis in Microalgae. Plant Cell.

往期精彩回顾

巴豆酰化与细菌代谢：Nature子刊：浙大李永泉/毛旭明组揭示修饰“黑马”巴豆酰化，站细菌代谢调控绝对“C位”

酰化修饰与合成生物学：Cell Chemical Biology：微生物调控酰化辅酶A生物合成的“普世”机制

琥珀酰化和碳代谢：琥珀酰化修饰组学捷报再传，赵国屏院士团队揭示链霉菌蛋白质合成和碳代谢调控机制

微藻进化：专家视界 | 微藻，南极和“青稞”，中科院水生所徐旭东组揭示中温绿藻对南极的早期适应机制

蓝藻丙酰化：重大发现！中科院水生所葛峰组揭示丙酰化修饰新功能：参与光合作用和碳代谢调控

本文景杰学术团队原创解读，欢迎转发到朋友圈。如有转载、投稿、等其他合作需求，请文章下方留言，或添加微信ptm-market咨询。

#关注领取新人福利，下载最近三年影响因子（后台发送关键词“新人”）