微藻油脂合成碳同化的关键节点柠檬酸合成酶的Ca2+信号调控机制研究

As the oldest prokaryotic or eukaryotic photosynthetic microorganism, microalgae convert inorganic carbon into organic carbon through photosynthesis, which is an important cell carbon source. As an important carbon metabolism pathway in cells, tricarboxylic acid cycle is a common metabolic pathway for three main organics (sugar, lipid and protein). Previous studies have shown that Ca2+ signal pathway regulated the environmental stress perception and stress-induced lipid biosynthesis in microalgae, and citrate synthase, an enzyme catalyzed the key step in tricarboxylic acid cycle, is one of the three key nodes in the process of nitrogen starvation induced lipid biosynthesis. Based on the studies above, in this study, through a series of methodologies including molecular biology, physiology, biochemistry, metabonomics and metabolic flow analysis, we proposed to analyze Ca2+ signal transduction pathway and its regulation mechanism on citrate synthase, the key node of carbon flow and distribution, using Chlamydomonas reinhardtii, and further clarify the carbon flow and re-distribution in tricarboxylic acid cycle regulated by citrate synthase and its regulation mechanism on lipid biosynthesis. Finally, the action mechanism of Ca2+ signal regulated tricarboxylic acid cycle in metabolism regulatory network of lipid biosynthesis could be established, which can further clarify the regulation mechanism of Ca2+ mediated lipid biosynthesis in oil-producing microalgae.

微藻是地球上最古老的原核或真核光合微生物。光合作用将无机碳转化为有机碳，是细胞重要的碳来源途径。作为后续重要的碳代谢途径，三羧酸循环被视为糖，脂肪和蛋白质在体内的共同代谢途径。前期研究工作表明微藻通过Ca2+信号途径感知胁迫条件并诱导脂质的生物合成，并初步说明催化三羧酸循环关键步骤的柠檬酸合成酶是缺氮诱导脂质生物合成过程中起调控作用的三个关键节点之一。在上述研究基础上，本项目以Chlamydomonas reinhardtii为材料，通过分子生物学、生理学、生物化学、比较代谢组和代谢流分析技术等实验手段分析Ca2+信号的转导途径及其对柠檬酸合成酶的调控机理，确定柠檬酸合成酶调节的三羧酸循环中的碳流动和重分配及对油脂合成的调控机制，最终构建Ca2+信号调控的三羧酸循环在油脂合成代谢调控网络中的作用机制，进一步阐明Ca2+介导的微藻油脂合成代谢途径的调控机制。

生物体内糖、蛋白质和脂质三大代谢的交互，形成以乙酰CoA为基本物质、以TCA 循环为中心的复杂代谢网络，脂质的生物合成及其调控又是其中最为复杂的也是目前为止我们最缺乏全面了解的过程。微藻中TCA 循环途径在脂质合成代谢中的调控机制还未阐述清楚，特别是除光合作用和糖酵解途径之外，TCA 循环是否同样在脂质合成途径中提供碳来源还未证实。我们前期研究发现，微藻通过Ca2+信号途径感知胁迫条件并诱导脂质的生物合成，并初步说明催化三羧酸循环关键步骤的柠檬酸合酶是缺氮诱导脂质生物合成过程中起调控作用的三个关键节点之一。鉴于以上研究背景和已有的工作基础，本研究以Chlamydomonas reinhardtii CC4533及其柠檬酸合酶突变株ΔCs为材料，通过分子生物学、生理学、生物化学、组学分析技术等实验手段，对Ca2+信号对C流分配关键节点CS的调控机制和基于CS的TCA循环对油脂物质代谢的调控作等关键科学问题进行了探讨。. 研究结果表明，缺氮胁迫下藻细胞内Ca2+水平显著上升激发Ca2+信号，调控了光合响应及TCA循环过程，进而调控胞内碳流的流向与再分配。进一步研究发现CS对TCA循环整体起着一个调控中心的作用，进而在缺氮胁迫诱导脂质积累过程中起着负调控作用，通过降低其本身的表达影响整个TCA循环，将本应流向TCA循环的碳流进行重分配，更多地流向脂质合成。基于所有研究结果，我们提出了Ca2+信号介导的基于柠檬酸合酶的微藻脂质代谢调控模型。本研究扩展了微藻碳、氮循环机制的研究层面，推动对微藻中枢碳、氮代谢途径的环境响应调节机制这一热点科学问题的进一步深入了解，为研究逆境响应下微藻光合产物再分配及关键代谢物的生物合成调控机制提供了新的思路。. 项目执行期间共发表SCI学术论文17篇，中文期刊论文1篇。培养硕士研究生3人。基于研究成果，主持人陈辉教授应邀出席相关学术会议做学术报告。