蓝藻酶CphB是蓝藻异养生长所必需的：精氨酸生物合成与蓝藻颗粒代谢的协同调控

本研究针对非固氮蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803中蓝藻酶（CphB）的生理功能不明的问题，通过构建ΔcphB突变株并结合多组学分析技术，发现CphB缺失导致蓝藻在光激活异养（LAH）条件下生长严重受阻。研究揭示CphB通过激活精氨酸（Arg）生物合成通路，协调碳氮代谢平衡，并首次证实CphB与乙酰鸟氨酸氨基转移酶（ArgD）的互作显著增强其体外酶活。该研究为理解蓝藻代谢可塑性提供了新视角，对蓝藻生物技术应用具有重要指导意义。

　　

蓝藻作为地球上最早进行产氧光合作用的原核生物，具有惊人的代谢可塑性。许多蓝藻不仅能通过光合自养生长，还能利用有机物进行异养生长，这种双重营养能力使其在生态系统和生物技术应用中都具有重要价值。然而，蓝藻如何协调其复杂代谢网络以适应不同生长模式，尤其是从光合自养向异养生长转变的分子机制，仍然是未解之谜。

在蓝藻的多种代谢途径中，蓝藻颗粒（cyanophycin granule peptide, CGP）代谢特别引人关注。CGP是由精氨酸和天冬氨酸组成的氮储备聚合物，其代谢涉及两个关键酶：负责合成的蓝藻合酶（CphA）和负责降解的蓝藻酶（cyanophycinase, CphB）。在固氮蓝藻中，CphB与固定氮的动员密切相关，但在非固氮蓝藻如模式生物Synechocystis sp. PCC 6803中，CphB的生理功能却一直不清楚。前期研究表明，ΔcphB缺失株在光合自养条件下没有明显表型缺陷，也不积累CGP，这使得研究者对CphB在非固氮蓝藻中的存在意义产生了疑问。

正是基于这一科学问题，捷克科学院微生物研究所的研究团队开展了深入研究，他们的研究成果发表在《Journal of Biological Chemistry》上。研究人员采用的主要技术方法包括：利用基因敲除技术构建ΔcphB、ΔcphA等突变株；通过细胞培养和表型分析比较不同营养条件下（光合自养PAT、混养MT和光激活异养LAH）的生长差异；应用液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）进行靶向代谢组学分析；采用免疫共沉淀和体外酶活测定研究蛋白质相互作用；利用透射电镜（TEM）观察细胞超微结构；通过生物信息学分析CphB在蓝藻中的系统分布和进化特征。

研究结果首先通过系统的表型分析发现，ΔcphB突变株在LAH条件下生长严重受阻，而ΔcphA突变株则没有这种缺陷，表明CphB而非CGP合成对蓝藻异养生长至关重要。研究人员进一步通过生物信息学分析发现，所有能够进行异养生长的蓝藻都含有CphB，而一些蓝藻甚至还有CphB-2同源基因，这从进化角度支持了CphB与异养能力的关联性。

代谢组学分析揭示了ΔcphB突变株在LAH条件下的深层代谢缺陷。研究发现，野生型菌株在从PAT转向LAH生长时，精氨酸生物合成通路显著上调，表现为谷氨酸（Glu）水平下降而乙酰谷氨酸（AcGlu）和精氨琥珀酸积累增加。然而在ΔcphB突变株中，这种上调完全消失，精氨酸生物合成受阻。值得注意的是，天冬氨酸（Asp）在突变株中仍然积累，说明精氨酸水平降低不是由于CphB降解CGP产生精氨酸的功能缺失，而是源于精氨酸生物合成通路的调控缺陷。

碳代谢分析显示，ΔcphB突变株在LAH条件下异常积累糖原，而糖酵解中间产物如6-碳和5-碳糖磷酸酯的水平也显著升高，表明碳代谢流向存在紊乱。特别令人惊讶的是，核苷酸代谢在突变株中出现了严重不平衡：嘌呤生物合成中间体大量积累，但最终产物鸟苷三磷酸（GTP）并未相应增加；嘧啶代谢则整体受阻，二氢乳清酸、尿嘧啶和尿苷三磷酸（UTP）水平都显著降低。这种核苷酸代谢失衡可能导致RNA合成受限，从而影响菌株在适应新生长模式所需的蛋白质组重塑。

分子机制研究表明，CphB与精氨酸生物合成途径中的乙酰鸟氨酸氨基转移酶（ArgD）存在相互作用。AlphaFold 3结构预测显示，ArgD的二聚体与CphB的二聚体形成稳定的复合物，ArgD的Glu207与CphB的His174和Arg178形成氢键网络。体外酶活测定证实，ArgD能够以1:1摩尔比使CphB的酶活性提高近一倍，而CphB对ArgD活性的影响很小。这种相互作用的分子界面在蓝藻CphB中高度保守，但在其他细菌中不存在，提示这是蓝藻特有的调控机制。

讨论部分指出，这项研究揭示了蓝藻异养生长中一个此前未知的代谢调控机制。在从光合自养向异养生长转变过程中，蓝藻需要重新平衡碳氮代谢以适应以有机碳为主要能源和碳源的新环境。CphB通过促进精氨酸生物合成通路的激活，在这一适应过程中发挥关键作用。精氨酸生物合成的上调可能有助于维持适当的C/N比，特别是在LAH条件下，葡萄糖主要通过氧化磷酸戊糖（OPP）途径代谢，产生大量5-碳糖磷酸但较少3-碳糖磷酸，可能导致碳骨架供应不足以支持氮同化。

研究表明，CphB与ArgD的相互作用提供了一种精巧的协同调控机制：一方面，CphB需要ArgD来增强其酶活性，促进CGP降解；另一方面，CphB又是精氨酸生物合成正常上调所必需的。这种相互调控确保了在代谢状态转变时，碳氮代谢能够协调一致。ΔcphB突变株中观察到的代谢紊乱——包括糖原异常积累、核苷酸代谢失衡以及有毒代谢物如2'-和5'-脱氧腺苷的积累——都可以追溯到精氨酸生物合成缺陷导致的碳氮失衡。

该研究的发现不仅增进了对蓝藻基础代谢调控的理解，也为蓝藻生物技术应用提供了重要启示。通过工程化改造CphB或精氨酸代谢途径，可能优化蓝藻在异养条件下生产目标化合物的能力。此外，研究展示的多组学整合分析策略也为研究微生物代谢调控提供了范例。