责编
王一
硅藻贡献全球碳固定的20%和海洋初级生产力的40%,是海洋生态系统中的主要真核浮游植物之一。三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)属于硅藻门(Bacillariophyta),它能在细胞内合成大量的甘油三酯(TAG)并储存在油滴,同时细胞富含岩藻黄素、Omega-3超长链多不饱和脂肪酸、昆布多糖等活性物质。Omega-3超长链多不饱和脂肪酸中的EPA(C20:5n-3)和DHA(C22:6n-3)为人类自身不能合成的必需脂肪酸,近二十余年的医学和营养学研究表明:EPA具有抑制血液中血小板凝聚和防止血栓生成,降低血脂(胆固醇、甘油三酯)、低密度脂蛋白、血压等作用,可作为防治心脑血管疾病药物;而DHA具有促进婴幼儿脑细胞和视网膜正常发育及增强脑力的作用。三角褐指藻细胞中EPA占总脂肪酸的相对含量高达30%,主要富集在糖脂如单半乳糖甘油二酯(MGDG)和双半乳糖甘油二酯(DGDG)中;除了富含EPA以外,三角褐指藻还含有少量的DHA,是最具商业化开发的藻种之一。然而,目前三角褐指藻油脂代谢生化途径及其调控机制并未阐明,限制了其作为EPA替代来源的开发。长链酰基辅酶A合成酶(LACS)在脂肪酸激活、转运、脂肪酸-氧化、储存脂合成等生化途径中发挥重要作用,但是目前LACS在产油微藻油脂代谢和Omega-3超长链多不饱和脂肪酸合成中的功能仍不清楚。
年12月9日,中国农科院油料作物研究所油料品质化学与加工利用团队在NewPhytologist(IF10.15)发表了题为“MultiplexCRISPR/Cas9editingofthelong-chainacyl-CoAsynthetasefamilyinthediatomPhaeodactylumtricornutumrevealsthatmitochondrialptACSL3isinvolvedinthesynthesisofstoragelipids”的研究论文。该研究发现定位于线粒体的ptACSL3在甘油三酯合成中发挥重要作用,而分别位于叶绿体外膜和细胞质的ptACSL1和ptACSL4在体外酶动力学实验中对EPA表现出极高的催化效率。
三角褐指藻基因组编码5个LACS(ptACSL1~5),该研究首先利用GFP自组装方法确定了ptACSL1定位于叶绿体最外层膜。通过在全长LACS蛋白N端或C端融合GFP进一步发现ptACSL3定位于线粒体、ptACSL5定位于过氧化物酶体,而ptACSL2和ptACSL4主要定位在细胞质中。通过在大肠杆菌中异源表达ptACSL1~5并将纯化的重组蛋白用于体外酶动力学研究,结果表明ptACSL1和ptACSL4的kcat/Km值分别为和M-1s-1,为所有测试底物中催化效率最高。进一步采用多重CRISPR/Cas9方法构建了lacs1~5的单基因敲除突变株并分析其油脂相关表型。在所有突变株中ptACSL1,ptACSL3和ptACSL5单基因敲除突变株与野生型相比,在通气条件下生长变慢;而ptACSL2和ptACSL4的突变株没有明显表型。ptACSL3基因敲除导致TAG和总脂肪酸合成量明显减少,脂肪酸从头合成受到抑制主要表现在叶绿体中合成的16:0和16:1脂肪酸水平降低。高通量脂质组数据表明:在ptACSL3突变株叶绿体膜糖脂MGDG和DGDG中包含16:0/16:0和16:1/16:0的分子种类水平显著减低,磷脂酰胆碱PC中16:0、16:1和18:1脂肪酸的分布水平也明显降低。与野生型相比,ptACSL3突变株中多不饱和脂肪酸的含量更高,在应对高温胁迫时在减少细胞膜的流动性方面的能力比野生型更差,因此在高温条件下(28oC)ptACSL3突变株的生长几乎停止。体外酶活性实验中对EPA具有明显底物偏好性的ptACSL1和ptACSL4可能在EPA转运到叶绿体膜脂中发挥重要作用。该研究不仅揭示了LACS在海洋藻类油脂合成中的重要功能,同时也为将来利用合成生物学和代谢工程手段实现EPA的高产提供重要的基因资源。
PredictedLACS-mediatedlipidmetabolicpathwaysinthediatomPhaeodactylumtricornutum
中国农业科学院油料作物研究所级已毕业硕士研究生郝夏晖为论文第一作者,油料品质化学与加工利用团队龚阳敏博士为通讯作者。中科院水生生物研究所胡晗华研究员、法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学AlbertoAmato和EricMaréchal以及美国加州大学圣地亚哥分校MarkMoosburner和AndrewE.Allen等参与此工作。该研究得到国家自然科学基金委、中国农科院创新工程、美国能源部基因组科学计划、美国国家科学基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会等项目的资助。
原文链接: