代谢产物调控碳降解物阻遏作用和蛋白质组资源分配

The cAMP-dependent carbon catabolite repression effect in Escherichia coli is one of the most intensely studied regulatory processes in biology. However，the widely accepted inhibitory effect of glucose uptake on cAMP synthesis via the PTS system can’t explain all the catabolite repression phenomena. Thus the signals that regulate cAMP and catabolite repression remain elusive. Our previous study showed that several precursors of amino acid metabolism can work as signals to regulate cAMP in a PTS independent way. During carbon catabolite repression, the expression of carbon catabolic proteins show changes as expected. But to our surprise, the expression of the anabolic proteins and other part of the proteome also show changes. The several precursors found above are the key signals to regulate all the expression changes of these proteins. Based on these findings, present proposal will study the metabolome of E.coli during various nutrient limited conditions to find out all the signals or metabolites that regulate catabolite repression; study the mechanism of how these metabolites regulate cAMP levels; study the molecular mechanism of how these metabolites regulate the expression of the anabolic proteins and the other part of the proteome; construct the regulatory networks of how these metabolites regulate the whole proteome.

在生物学里，大肠杆菌中依赖于cAMP信号分子的碳降解物阻遏作用是被最精细研究的一个调节过程。但是被广泛接受的葡萄糖通过PTS系统的运输来抑制cAMP合成的机制并不能解释所有的碳降解物阻遏现象。因此调节cAMP及碳降解物阻遏作用的信号一直不清楚。申请者的前期工作表明几个氨基酸合成代谢前体分子可作为信号分子以不依赖于PTS系统的方式来调节cAMP。在碳降解物阻遏现象中，碳分解代谢相关蛋白的表达呈现预期的变化，但始料未及的是合成代谢相关蛋白及蛋白质组其它蛋白的表达也有相应的变化。而这几个前体分子可作为信号分子来调节这些蛋白的变化。在此基础上，本项目拟研究不同营养缺乏条件下大肠杆菌代谢组学的变化以找到所有引起碳降解物阻遏作用的信号分子或代谢产物；研究代谢产物对cAMP的调控机制；研究代谢产物调节合成代谢相关蛋白以及整个蛋白质组表达变化的分子机制；建立代谢产物调节蛋白质组资源分配的调控网络。

在生物学里，大肠杆菌中依赖于cAMP信号分子的碳降解物阻遏作用是被最精细研究的一个调节过程。但是被广泛接受的葡萄糖通过PTS系统的运输来抑制cAMP合成的机制并不能解释所有的碳降解物阻遏现象。因此调节cAMP及碳降解物阻遏作用的信号一直不清楚。本项目的前期工作通过数学模型预测的方法推测几个氨基酸合成代谢前体分子alpha-酮酸可作为信号分子来调节cAMP及碳降解物阻遏作用，初步说明调节碳降解物阻遏作用的就是一些代谢产物。因为引起碳降解物阻遏现象的生理条件包括碳源充足，氮源缺乏以及硫源缺乏，所以我们推测调节碳降解物阻遏现象的可能降解物会在氮源或着硫源缺乏时积累，而在碳源缺乏时含量下降。为此本项目研究了大肠杆菌在不同碳源、氮源以及硫源缺乏下的代谢组学的变化，并根据以上推论初步筛选出包括alpha-酮戊二酸在内的10个代谢产物作为潜在的引起碳降解物阻遏作用的“降解物”。本项目进一步研究了这些潜在的“降解物”对以lacZ为代表的碳分解代谢相关基因的表达的抑制作用，发现只有alpha-酮戊二酸具有抑制lacZ表达的作用。因此本项目用实验的方法证明alpha-酮酸是引起碳降解物阻遏现象的主要“降解物”。本项目接下来应用RNA高通量测序的方法研究了alpha-酮酸对大肠杆菌全基因组的调节作用。通过对加入alpha-酮酸后不同时间内差异变化基因的系统分析，发现了alpha-酮酸调节全基因组基因表达变化的分子机制及调控网络：一方面通过抑制Crp-cAMP的水平来抑制碳代谢相关基因的表达，另一方面通过调节其他转录因子，譬如pdhR等激活其他基因的表达变化。总之本项目系统证明了alpha-酮酸是引起碳降解物阻遏现象的主要“降解物”并且作为关键的信号分子调控了全基因组的基因表达。鉴于alpha-酮酸是所有生物体的TCA循环以及糖酵解途径的关键代谢产物，我们推测alpha-酮酸在其它生物体中也可能起到关键信号分子的作用。总之本项目为开展alpha-酮酸在其它生物体内的信号调控作用研究打下重要基础。