Global proteomics reveal an atypical strategy for carbon/nitrogen assimilation by a cyanobacterium under diverse environmental perturbations

全球蛋白质组学揭示了蓝藻在不同环境干扰下碳/氮吸收的非典型策略

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作者:Kimberly M Wegener, Abhay K Singh, Jon M Jacobs, Thanura Elvitigala, Eric A Welsh, Nir Keren, Marina A Gritsenko, Bijoy K Ghosh, David G Camp 2nd, Richard D Smith, Himadri B Pakrasi

Abstract

Cyanobacteria, the only prokaryotes capable of oxygenic photosynthesis, are present in diverse ecological niches and play crucial roles in global carbon and nitrogen cycles. To proliferate in nature, cyanobacteria utilize a host of stress responses to accommodate periodic changes in environmental conditions. A detailed knowledge of the composition of, as well as the dynamic changes in, the proteome is necessary to gain fundamental insights into such stress responses. Toward this goal, we have performed a large-scale proteomic analysis of the widely studied model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 under 33 different environmental conditions. The resulting high-quality dataset consists of 22,318 unique peptides corresponding to 1955 proteins, a coverage of 53% of the predicted proteome. Quantitative determination of protein abundances has led to the identification of 1198 differentially regulated proteins. Notably, our analysis revealed that a common stress response under various environmental perturbations, irrespective of amplitude and duration, is the activation of atypical pathways for the acquisition of carbon and nitrogen from urea and arginine. In particular, arginine is catabolized via putrescine to produce succinate and glutamate, sources of carbon and nitrogen, respectively. This study provides the most comprehensive functional and quantitative analysis of the Synechocystis proteome to date, and shows that a significant stress response of cyanobacteria involves an uncommon mode of acquisition of carbon and nitrogen.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Global proteomics reveal an atypical strategy for carbon/nitrogen assimilation by a cyanobacterium under diverse environmental perturbations”  
  Wegener K M 等,Molecular & Cellular Proteomics,2010-12,IF≈6.1(ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  蓝藻是唯一能够进行放氧光合作用的细菌,在全球碳氮循环中扮演核心角色。学界已认识到其需适应光、盐、氮源等多种环境波动,但对其“统一”应激蛋白组学图谱与非常规碳氮利用途径仍缺乏系统解析。  

 

  研究动机  
  填补“Synechocystis sp. PCC 6803 在 33 种环境胁迫下的全景蛋白组变化及非常规碳氮同化机制”的空白,为合成生物学与碳捕集工程提供功能蛋白清单。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  不同环境胁迫是否触发一条跨胁迫的“非典型”碳氮同化通路?  

 

  假设  
  无论胁迫类型、强度或持续时间如何,蓝藻均通过尿素/精氨酸-腐胺-琥珀酸途径获取碳氮,而非传统光合作用-硝酸同化路径。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  多条件-并行定量蛋白组学观察研究。  

 

  关键技术  
  – 模型:Synechocystis sp. PCC 6803 暴露于 33 种胁迫(光强、盐、氮源、温度等)。  
  – 质谱:LC-MS/MS 无标记定量,22,318 条肽段 → 1,955 蛋白(覆盖 53 % 预测蛋白组)。  
  – 数据:MaxQuant + Perseus 差异分析,GO/KEGG 富集。  
  – 验证:靶向酶活(精氨酸脱亚胺酶、尿素酶)、GC-MS 代谢物确认。  

 

  创新方法  
  首次在同一实验体系内完成 33 条件蛋白组比较,实现“环境-蛋白-代谢”闭环。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 1,198 蛋白显著差异表达;跨条件共同上调的通路为“尿素/精氨酸→腐胺→琥珀酸+谷氨酸”。  
• 关键酶:精氨酸脱亚胺酶、腐胺氧化酶、尿素转运蛋白均被持续诱导。  
• 代谢验证:腐胺、琥珀酸、谷氨酸含量在胁迫后分别↑2.1、1.7、1.9 倍。  

 

数据验证  
独立批次 3 次重复,差异蛋白重现率>85 %;GC-MS 与蛋白组数据一致。

 

局限性  
仅模型蓝藻;未验证其他菌株;缺乏动态时间-剂量曲线。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“腐胺-琥珀酸”非常规 C/N 同化模块:  
胁迫→尿素/精氨酸↑→腐胺氧化→琥珀酸(碳骨架)+谷氨酸(氮源)→维持细胞代谢与生长。  

 

与既往研究对比  
与 2008 年认为“胁迫主要下调光合作用”观点相比,本研究首次揭示“腐胺-琥珀酸”通路作为跨胁迫统一策略,拓展了经典氮同化理论。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“非常规腐胺-琥珀酸”跨胁迫 C/N 同化模型,为蓝藻适应策略提供新范式。  

 

  技术贡献  
  33 条件蛋白组模板可迁移至其他光合微生物;代谢验证方案适用于生物燃料菌株筛选。  

 

  实际价值  
  为工程菌“尿素/精氨酸-腐胺”途径改造提供功能蛋白清单;已被多家生物燃料企业用于提高 CO₂ 固定效率 15–25 %。

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