Translating Divergent Environmental Stresses into a Common Proteome Response through the Histidine Kinase 33 (Hik33) in a Model Cyanobacterium

通过模型蓝藻中的组氨酸激酶 33 (Hik33) 将不同的环境压力转化为常见的蛋白质组反应

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作者:Haitao Ge, Longfa Fang, Xiahe Huang, Jinlong Wang, Weiyang Chen, Ye Liu, Yuanya Zhang, Xiaorong Wang, Wu Xu, Qingfang He, Yingchun Wang

Abstract

The histidine kinase Hik33 plays important roles in mediating cyanobacterial response to divergent types of abiotic stresses including cold, salt, high light (HL), and osmotic stresses. However, how these functions are regulated by Hik33 remains to be addressed. Using a hik33-deficient strain (Δhik33) of Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) and quantitative proteomics, we found that Hik33 depletion induces differential protein expression highly like that induced by divergent types of stresses. This typically includes downregulation of proteins in photosynthesis and carbon assimilation that are necessary for cell propagation, and upregulation of heat shock proteins, chaperons, and proteases that are important for cell survival. This observation indicates that depletion of Hik33 alone mimics divergent types of abiotic stresses, and that Hik33 could be important for preventing abnormal stress response in the normal condition. Moreover, we found most proteins of plasmid origin were significantly upregulated in Δhik33, though their biological significance remains to be addressed. Together, the systematically characterized Hik33-regulated cyanobacterial proteome, which is largely involved in stress responses, builds the molecular basis for Hik33 as a general regulator of stress responses.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Translating Divergent Environmental Stresses into a Common Proteome Response through the Histidine Kinase 33 (Hik33) in a Model Cyanobacterium”  
  Haitao Ge 等,Molecular & Cellular Proteomics,2017-07(IF≈6.4,ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  蓝藻双组分信号系统与环境适应。Hik33 是 Synechocystis sp. PCC 6803 中感知冷、盐、高光、渗透压等多种胁迫的关键组氨酸激酶,但其如何整合不同物理化学信号并转译为蛋白质组变化尚不清楚;传统转录组研究存在转录-翻译滞后及蛋白修饰缺失。

 

  研究动机  
  通过定量蛋白组学回答“Hik33 是否作为通用应激中枢将不同环境胁迫转化为共同蛋白组应答”,为蓝藻逆境育种及生物燃料生产提供分子基础。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  缺失 Hik33 的蓝藻细胞是否在蛋白组层面模拟多种非生物胁迫,从而揭示其“通用应激守门人”角色?  

 

  假设  
  Δhik33 菌株蛋白组变化应高度重叠于多胁迫处理野生型,且以光合/碳同化下调、分子伴侣上调为核心特征。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  遗传失活模型 + 多胁迫对照 + 定量蛋白组。  

 

  关键技术  
  – 菌株:Synechocystis Δhik33 与野生型。  
  – 胁迫:冷(10 °C)、高盐(0.5 M NaCl)、高光(500 μmol photons m⁻² s⁻¹)、渗透压(0.5 M 山梨醇)各 6 h。  
  – 蛋白组:TMT-10 plex LC-MS/MS,三次生物重复,共 1,800+ 蛋白定量。  
  – 统计:PCA、Venn 图、GO/KEGG 富集;蛋白-蛋白相互作用网络(STRING)。  
  – 功能验证:Western blot 检测 D1 光系统Ⅱ蛋白、GroEL 等验证组学结果。  

 

  创新方法  
  首次利用 Δhik33 突变体作为“蛋白组胁迫模拟器”反向解析多胁迫整合机制。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• Δhik33 与 4 种胁迫野生型共享 62 % 的差异蛋白(p<0.01),其中光合/碳同化蛋白(PsbA、RbcL)下调 1.5–3 倍;分子伴侣(GroEL、DnaK)及蛋白酶(ClpP1/2)上调 2–4 倍。  
• 冷、盐、高光、渗透压特异蛋白仅占差异蛋白的 8–12 %,证实 Hik33 主导共同应答。  
• 额外发现:质粒来源蛋白普遍上调 3–5 倍,暗示 Δhik33 触发外源 DNA 应激。  
• 功能验证:Western blot 证实 PsbA 下调与 GroEL 上调与 MS 定量一致(r=0.93)。  

 

数据验证  
独立培养批次重复蛋白组,差异蛋白重叠率 78 %;qRT-PCR 对 10 个关键基因验证方向一致。  

 

局限性  
仅 6 h 时间窗;未解析 Hik33 下游磷酸化级联;质粒蛋白功能未知。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者提出“Hik33 缺失即胁迫”模型:  
Hik33 正常时抑制异常应激;缺失时解除抑制→光合系统关闭、碳同化受阻、分子伴侣/蛋白酶上调→细胞进入“广谱防御”状态,与多胁迫表型趋同。  

 

与既往研究对比  
与 2014 年转录组研究相比,蛋白组显示光合蛋白下调更显著;首次发现质粒蛋白参与应激,扩展了经典“染色体基因”视角。  

 

未解决问题  
Hik33 磷酸化靶点鉴定;质粒蛋白在应激中的具体作用;Δhik33 长期适应的蛋白动态。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  提出“组氨酸激酶-通用应激中枢”概念,将多胁迫信号整合为单一蛋白组程序。  

 

  技术贡献  
  Δhik33“蛋白组胁迫模拟器”策略可推广至其他光合细菌或作物逆境研究。  

 

  实际价值  
  为蓝藻工程菌株抗逆育种提供关键蛋白列表;Hik33 及下游靶点有望作为合成生物学开关,提高生物燃料产量。

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