藻类碳浓缩机制驱动脂肪酸合成——光合作用之外的代谢新功能

《Cell Reports》：Algal carbon concentrating drives fatty acid biosynthesis beyond photosynthesis

本研究针对藻类光合固碳与脂肪酸合成(FAS)的协同机制这一空白领域，揭示了莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)二氧化碳浓缩机制(CCM)核心细胞器——蛋白核(pyrenoid)在脂质合成中的新功能。研究人员发现乙酰辅酶A羧化酶(ACC)亚基在低CO2条件下通过液-液相分离(LLPS)形成蛋白核外周凝聚体，并与碳酸酐酶LCIB空间毗邻。通过基因敲除和同位素标记实验证实，蛋白核功能缺陷会显著削弱脂肪酸和甘油三酯(TAG)的生物合成。该研究揭示了CCM在光合作用之外通过空间代谢偶联促进脂质合成的"兼职功能"，对全球碳循环、藻类生物技术和作物光合作用改良具有重要启示。

　　

在浩瀚的海洋中，微小的藻类扮演着地球碳循环的关键角色，它们通过光合作用固定了全球近一半的二氧化碳。然而，这些水生生物面临着一个严峻挑战：水中溶解的CO₂浓度极低，而它们赖以固碳的关键酶——核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)工作效率低下且容易与氧气结合。为了应对这一困境，藻类进化出了精巧的二氧化碳浓缩机制(CCM)，其中蛋白核(pyrenoid)作为真核藻类CCM的核心细胞器，贡献了约三分之一的全球碳固定量。

除了光合作用，脂肪酸生物合成(FAS)是另一个消耗无机碳的重要代谢途径。在光合真核生物中，脂肪酸合成主要发生在叶绿体内，其第一步关键反应由乙酰辅酶A羧化酶(ACC)催化，该酶利用HCO₃^-将乙酰-CoA羧化为丙二酰-CoA。有趣的是，ACC所需的HCO₃^-可能来源于叶绿体碳酸酐酶的活性，而这正是CCM的核心组成部分。尽管人们对这两个过程的独立调控机制已有较多了解，但它们之间的相互作用却一直是个未解之谜。

发表在《Cell Reports》上的这项研究，以模式生物莱茵衣藻为研究对象，揭示了蛋白核在脂肪酸合成中的新功能，为我们理解藻类碳代谢提供了全新视角。

关键技术方法

研究人员通过CRISPR-RNP基因编辑技术构建了ACC亚基的荧光标记株系，利用共聚焦显微镜观察蛋白定位；采用荧光漂白恢复(FRAP)技术分析蛋白质凝聚体的动态特性；通过体外重组实验验证BCC1的液-液相分离能力；使用¹³C同位素标记和气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术定量脂肪酸合成速率；利用免疫共沉淀-质谱联用(IP-MS)技术鉴定蛋白质相互作用网络。

ACC亚基在低CO₂条件下形成蛋白核外周凝聚体

研究人员首先关注乙酰辅酶A羧化酶(ACC)这一脂肪酸合成的关键酶。该酶由四个亚基组成：生物素羧化酶(BC)、生物素羧基载体蛋白(BCCP)和两个羧基转移酶(CT)亚基。通过CRISPR-Cas9基因编辑技术，研究团队成功构建了BCC1和BC1亚基的C端荧光标记株系。

令人惊讶的是，在低CO₂条件下，BCC1和BC1蛋白显著富集在蛋白核周围，形成明显的点状结构。而当细胞在高CO₂条件下生长时，这些荧光信号则分散在整个叶绿体基质中。为了确认这些凝聚体包含完整的ACC复合物，研究人员构建了双标记株系，发现BCC1和BC1在蛋白核周围显著共定位。免疫共沉淀-质谱分析进一步证实，BCC1凝聚体中确实富集了BC1亚基，表明这些结构包含至少两个ACC复合物的组成部分。

BCC1凝聚体表现出相分离行为

研究人员通过生物信息学分析发现，BCC1蛋白含有一个长的内在无序区域(IDR)，这提示其可能通过液-液相分离(LLPS)形成生物分子凝聚体。荧光漂白恢复实验显示，BCC1凝聚体具有快速的荧光恢复动力学，半恢复时间约为6.5秒，最终恢复至漂白前强度的80%，表明其具有典型的液体样特性。

体外重组实验进一步证实，重组BCC1-GFP在 crowding agent存在下能够形成液滴，而删除IDR的BCC1变体则需要更高的蛋白质和 crowding agent浓度才能形成凝聚体。这一发现表明BCC1确实具有内在的相分离能力，且其IDR在这一过程中发挥关键作用。

BCC1定位于含碳酸酐酶LCIB的蛋白核外层

蛋白核是一个高度有序的微区室，由富含Rubisco的核心基质和多个外层组成。为了精确定位BCC1在蛋白核结构中的位置，研究人员构建了同时表达BCC1-mVenus和不同蛋白核层标记蛋白的双标记株系。

结果显示，BCC1信号位于LCIB层内，紧邻STA2层外侧。三维成像分析进一步揭示，BCC1与LCIB存在部分空间重叠。然而，免疫共沉淀实验并未检测到BCC1-BC1亚复合物与LCIB-LCIC复合物之间的直接相互作用，表明它们的空间邻近可能不是通过稳定蛋白质相互作用实现的。

蛋白核功能缺陷突变体表现出脂肪酸合成能力受损

基于上述发现，研究人员提出了一个ACC-CCM协同模型：蛋白核泄漏的CO₂被LCIB-LCIC复合物回收转化为HCO₃^-，而位于同一区域的ACC则迅速利用这些HCO₃^-进行脂肪酸合成，从而优化碳经济性。

为了验证这一模型，研究团队构建了四种蛋白核功能缺陷突变体(lcib、cah3、epyc1和saga1)，并评估了它们的脂肪酸合成能力。通过¹³C标记实验，他们发现所有突变体在低CO₂条件下都表现出¹³C掺入棕榈酸的速度显著降低，其中lcib突变体的减少最为明显。在氮饥饿诱导的TAG积累实验中，突变体也显示出TAG含量减少，而在高CO₂条件下，这些差异则大大减小，表明观察到的脂肪酸合成缺陷确实与CCM功能受损相关。

三角褐指藻叶绿体ACC与蛋白核碳酸酐酶PtCA1相邻

为了验证这一现象在不同藻类中的保守性，研究人员在硅藻三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)中进行了类似研究。结果显示，PtACC1形成基质点状结构，并与蛋白核碳酸酐酶PtCA1部分重叠，表明ACC与蛋白核的关联在不同藻类 lineage中可能是保守的。考虑到绿藻和硅藻的蛋白核是独立进化而来的，这种趋同的关联模式更加引人注目。

研究结论与意义

这项研究改变了我们对蛋白核功能的理解，揭示了其在脂肪酸合成中的"兼职功能"。传统的CCM模型认为，LCIB-LCIC复合物主要功能是回收泄漏的CO₂供Rubisco重新利用。而本研究提出的新模型表明，一部分回收的HCO₃^-被分流给ACC用于脂肪酸合成，从而实现代谢协同。这种基于相分离和空间邻近的代谢偶联可能是细胞代谢通路组织的一个普遍原则。

该研究对多个领域具有重要启示：在全球碳循环方面，提出了无机碳利用协调的分子机制；在藻类生物技术领域，为优化藻类油脂生产提供了新思路；在作物改良方面，提醒人们在将藻类CCM工程化导入作物时，需要考虑如何将宿主植物的脂质合成等碳利用过程与异源形成的蛋白核整合，以最大程度减少碳泄漏造成的浪费。

研究的局限性主要在于尚未完全阐明ACC凝聚体的功能意义，以及观察到的脂肪酸合成减少可能受到碳和能量可用性等次级效应的影响。未来的研究方向包括开发HCO₃^-FRET传感器以直接比较凝聚体和基质中的HCO₃^-水平，以及寻找特异性Rubisco抑制剂来直接验证从蛋白核到ACC的碳流。