多蛋白质组学研究揭示了链霉菌SirexAA-E中木聚糖分解的整合代谢和调控网络

《Microbiology Spectrum》：Multi-proteomics reveals integrated metabolic and regulatory networks for xylan catabolism in Streptomyces sp. SirexAA-E

研究通过蛋白质组学分析放线菌SirexAA-E在不同碳源（葡萄糖、木糖、木糖醇）下的蛋白表达变化，发现木糖代谢显著增强氧化磷酸化相关蛋白表达，并鉴定了xylose isomerase（SACTE_5230）、xylobiose transport system（SACTE_0532-0534）等关键酶和转运蛋白，揭示了xylooligosaccharides的运输与降解机制，以及LacI-like（SACTE_0535）、AsnC-like（SACTE_2715）等新转录调控因子对代谢途径的调控作用。

　　SirexAA-E是一种与昆虫共生的细菌，能够降解植物生物质。该细菌在培养基中能有效利用多种碳源，尤其是木聚糖，这是一种主要的半纤维素成分。然而，关于其木糖代谢相关的酶组成和代谢途径，目前尚未有详细报道。本研究旨在通过比较不同碳源下SirexAA-E的细胞外和细胞内蛋白表达变化，深入理解其代谢机制。研究结果表明，不同碳源会导致特定的蛋白组成变化，其中细胞外蛋白的表达具有明显的差异。同时，通过使用TMT双标签LC-MS/MS技术进行定量分析，发现有1,037种蛋白质在木糖、木二糖或木糖醇的代谢过程中表现出显著变化。这些变化不仅涉及酶的分泌，还与细胞内代谢过程密切相关，特别是与ATP生成和运输相关的蛋白质显著增加，这可能与细胞需要大量ATP来支持木糖的摄入和相关酶的分泌有关。

此外，研究还发现SirexAA-E中存在多种与碳吸收相关的转运蛋白，这些蛋白的识别是通过与另一种模式菌Streptomyces coelicolor进行蛋白同源比较得出的。同时，通过拉下蛋白组学（pull-down proteomics）技术，研究者还发现了SirexAA-E在降解木糖时所使用的几个关键的转录调控因子。这些调控因子可能通过识别特定的启动子区域来调节相关基因的表达，从而促进木糖的代谢和利用。

研究还揭示了SirexAA-E在不同碳源下的生长情况。当使用木糖、木二糖或木糖作为唯一碳源时，SirexAA-E均能良好生长，并在约72小时后进入早期稳定期。这表明SirexAA-E在多种碳源下均具有较强的代谢适应能力。通过比较不同碳源下的细胞外蛋白组，研究者发现木糖相关的酶如木糖内切酶、木糖酯酶和果胶酶在细胞外被大量分泌，而木糖醇和木二糖则诱导了不同的蛋白集合。例如，在木糖醇培养下，α-L-鼠李糖酶被显著分泌，这可能与植物细胞壁中的多糖成分如果胶的降解有关。

研究还发现，在细胞内，木糖和木二糖的代谢会显著影响多种蛋白质的表达，特别是在能量产生和转化、氨基酸运输和代谢、核苷酸运输和代谢、糖类运输和代谢、辅酶运输和代谢、脂质运输和代谢、翻译后修饰、蛋白质降解、伴侣蛋白、无机离子运输和代谢等多个功能类别中。这些变化可能反映了SirexAA-E在木糖代谢过程中对能量需求的调整，以及对不同碳源的适应性响应。例如，当SirexAA-E在木糖培养下时，与氧化磷酸化相关的蛋白质显著增加，这表明其细胞内需要更多的ATP来支持木糖的摄入和相关酶的分泌。

通过比较不同碳源下的蛋白质表达，研究者还发现了一些关键的转运蛋白，如木糖醇转运系统、木二糖转运系统和木糖转运系统，这些蛋白可能在SirexAA-E的碳吸收过程中发挥重要作用。此外，研究还发现一些与木糖代谢相关的调控因子，如LacI家族的调控因子和AsnC样调控因子，这些调控因子可能通过结合特定的启动子区域来调节相关基因的表达。

研究进一步探讨了SirexAA-E在木糖代谢中的能量需求。当使用木糖或木糖作为碳源时，细胞内的ATP/ADP比值显著高于使用葡萄糖时的比值。这表明在木糖代谢过程中，细胞需要更多的ATP来支持其代谢活动。此外，研究还发现一些与木糖代谢相关的酶，如谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶，这些酶可能在木糖代谢过程中起到重要作用。

研究还通过生物信息学方法对SirexAA-E的基因组进行了分析，发现其基因组中存在多个与糖类转运相关的基因簇，如bxl、rbs1、gyl和msiK。这些基因簇在SirexAA-E的基因组中具有较高的同源性，可能反映了其在木糖代谢中的适应性进化。通过比较不同碳源下的基因表达，研究者还发现了一些关键的调控因子，这些调控因子可能在木糖代谢过程中起到重要作用。

总的来说，这项研究为理解SirexAA-E在木糖代谢中的分子机制提供了新的视角。通过比较不同碳源下的蛋白质表达，研究者发现SirexAA-E在木糖代谢过程中需要更多的ATP来支持其代谢活动，同时涉及多种酶和调控因子的表达变化。这些发现不仅有助于深入理解SirexAA-E的代谢机制，还可能为开发更高效的生物降解菌株提供理论基础。