甘油醛-3-磷酸脱氢酶同源物在铜绿假单胞菌中作为代谢分离的双功能调控因子

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase homologs as bifunctional gatekeepers of metabolic segregation in Pseudomonas putida

糖代谢分流机制与GAPDH同源蛋白调控研究。通过多组学分析发现：Pseudomonas putida KT2440在葡萄糖/香豆酸混合代谢中，GapA（GAPDH同源蛋白）高表达调控糖酵解通量，而GapB主要参与生糖途径，Entner–Doudoroff途径部分补偿缺失。基因敲除实验证实三重敲除（gapA, gapB, edd）的代谢分流需求。数学模型显示调节GapA/B浓度可切换代谢通量模式。

　　

重要性

土壤细菌具有处理多种底物类型的代谢能力，因此成为处理复杂原料的潜在生物催化平台。特别值得关注的是在利用糖酵解底物和糖异生底物时代谢通量网络的分割方式。某些土壤中的假单胞菌（Pseudomonas）物种能够以各种糖类、短链羧酸、醇类以及酚酸作为单一底物。通过对假单胞菌KT2440进行定量多组学研究，我们揭示了两种甘油醛-3-磷酸脱氢酶同源物如何在混合底物代谢过程中控制糖酵解与糖异生的方向性，并发现另一种糖酵解途径具有部分补偿作用。我们强调了利用甘油醛-3-磷酸脱氢酶这一节点来建立特定代谢途径以及将底物碳分配到不同途径中的潜力，这一特性对于生物技术应用非常具有吸引力。

摘要

代谢能力多样的假单胞菌物种能够吸收多种糖酵解底物和糖异生底物。已知这些底物的同时吸收会导致碳分别被导入不同的代谢途径。然而，这种代谢分离的机制尚未得到明确解释。在本研究中，我们观察了假单胞菌KT2440在通过糖酵解处理葡萄糖与通过糖异生处理酚酸阿魏酸时的代谢过程。代谢组学分析显示，在以葡萄糖为培养基的细胞中，三羧酸循环代谢物的含量减少了约一半，而糖酵解途径（如戊糖磷酸途径和Entner–Doudoroff途径）相关的代谢物含量则增加了多达10倍。在采用¹³C标记的底物替换实验后，动力学同位素分析表明新底物碳被迅速纳入初始分解代谢途径，但随后未能完全或未能完全进入下游代谢途径。蛋白质组学分析发现，在以葡萄糖为培养基的细胞中，一种甘油醛-3-磷酸脱氢酶同源物（GAPDH，即GapA）的丰度增加了22倍，而另一种同源物（GapB）的丰度保持不变。对这些GAPDH同源物的单基因敲除和双基因敲除突变体的生长表型及定量代谢组学分析表明，只有GapA参与糖酵解过程，且这一过程可以通过Entner–Doudoroff途径得到补偿；而GapB则主要参与糖异生过程，GapA的作用较为有限。当同时提供糖酵解底物和糖异生底物以满足代谢需求时，三种基因均被敲除的突变体（gapA、gapB和edd）才能生长，但这种代谢平衡会导致生长速度变慢。基于实验数据的数学模型表明，通过调节GapA和GapB的浓度可以实现不同代谢途径之间的转换，从而提高生物体的营养适应能力。