聚球藻PCC 7942中盐胁迫诱导蔗糖合成调控机制的研究

Many cyanobacteria synthesize sucrose as compatible solutes under salt stress conditions. The sucrose productivity of cyanobacteria has been significantly improved by metabolic engineering; however, some basic scientific questions with regard to this physiological process are still not well answered. In the present study, the unicellular cyanobacteria Synechococcus elongatus PCC 7942 is employed to deeply study the regulatory mechanism of salt-induced sucrose biosynthesis in cyanobacteria. Our preliminary results strongly suggested that the regulation of salt-induced sucrose biosynthesis in Synechococcus elongatus PCC 7942 happens mainly on the enzymatic level of SPS (sucrose-phosphate synthase, the key enzyme of sucrose biosynthesis). Whereas nucleic acids (such as DNA) have inhibitory effects on the SPS activity, inorganic salts (such as NaCl) exhibit activation effects. Therefore, we will focus on the relations among nucleic acids, SPSs and inorganic salts in this study. By heterologously expressing/purifying SPSs, examining the SPS activity, analyzing the interaction between nucleic acids and SPSs, and determining the protein conformation of SPS under salt stress and non-stress conditions, we are going to systematically unravel the regulatory mechanism of salt-induced sucrose biosynthesis in Synechococcus elongatus PCC 7942. Based on the above results, new strategies for synthesizing sucrose under non-stress conditions by cyanobacteria will be explored.

很多蓝细菌在盐胁迫下合成蔗糖作为渗透调节物来抵抗逆境。尽管人们通过基因工程手段大幅提高了蓝细菌的蔗糖产率，但该生理过程背后的若干基础科学问题仍未被清楚解答。该项目以聚球藻PCC 7942为对象，拟研究蓝细菌盐胁迫下蔗糖合成调控机制这一核心问题。初步工作已表明，聚球藻PCC 7942蔗糖合成调控主要发生在酶学水平（蔗糖合成关键酶SPS），核酸(如DNA)能抑制SPS活性，无机盐（如NaCl）诱导激活SPS。因此该项目将从研究核酸-SPS蛋白-无机盐相互关系的角度，利用原核表达、酶活分析、蛋白-核酸互作分析、蛋白基础构象分析等技术，在体内外分析核酸抑制SPS酶活的基本性质特点，研究核酸抑制SPS活性的作用方式，及该抑制作用是否具有特异性；同时，解析无机盐解除上述抑制作用的方式与特点，最终系统阐明聚球藻PCC 7942蔗糖合成调控的分子机制，并在此基础上探索蓝细菌在非胁迫条件下合成蔗糖的可能。

很多蓝细菌在盐胁迫下合成蔗糖作为渗透调节物来抵抗逆境。尽管人们通过基因工程手段大幅提高了蓝细菌的蔗糖产率，但该生理过程背后的若干基础科学问题仍未被清楚解答。本项目以聚球藻PCC 7942为对象，研究了蓝细菌盐胁迫下蔗糖合成调控机制这一核心问题。结果表明，盐胁迫所包含的离子效应是诱导蔗糖合成的主要原因。尽管离子效应可在多个水平上（转录、翻译、翻译后）发挥作用，对蔗糖代谢关键酶活性的直接调控仍是其主要调控手段。离子浓度以一种协同的方式，同时调控着蔗糖合成关键酶SPS和降解关键酶INV的活性。当细胞遭遇高盐逆境时，胞内离子浓度迅速升高，SPS被迅速激活，与此同时INV活性被显著抑制，因此细胞开始快速积累蔗糖以实现对高盐环境的快速适应。我们的研究还发现，胞内核酸与SPS之间具有相互作用，但这种互作并不直接影响SPS活性，也不改变SPS活性调控方式，其对维持SPS蛋白稳定性具有积极作用。因此，SPS-核酸互作可能是通过影响SPS蛋白稳定性的方式间接参与蔗糖合成的调控。高盐环境对细胞的生理胁迫是一个快速的过程，为了适应这种变化，细胞也必须对逆境做出快速响应。该研究揭示的“离子浓度介导的酶活协同调控机制”保证了蓝细菌能以一种极为快速的方式实现细胞生理、生化响应，因此其很可能是微生物界普遍采用的一种高盐适应策略。