子科生物報道：2023年2月8日，國際頂級學術(shù)期刊《細胞》在線發(fā)表了題為“Flux Regulation through Glycolysis and Respiration is Balanced by Inositol Pyrophosphates in Yeast”的研究論文。北京化工大學軟物質(zhì)科學與工程高精尖創(chuàng)新中心客座教授Jens Nielsen教授和生命科學與技術(shù)學院的劉子鶴教授為該文共同通訊作者，生命科學與技術(shù)學院譚天偉教授參與該研究工作。北京化工大學秦寧博士為第一作者，北京化工大學為第一完成單位。中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所夏建業(yè)研究員為代謝通量的測定提供了大力支持。本研究工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委及北京化工大學中央高校基本科研業(yè)務(wù)費的大力資助。

糖酵解是細胞中最古老且最基本的代謝途徑。在原核生物中，糖酵解途徑呈現(xiàn)趨異進化(EMP途徑, ED途徑, PK途徑)而真核生物呈現(xiàn)趨同進化(只有EMP途徑)。之前有研究在大腸桿菌中構(gòu)建了非氧化型糖酵解途徑，實現(xiàn)了糖酵解途徑的替換。那么，真核生物中的糖酵解途徑是否也可以替換為其他途徑?如果可行，真核細胞又是如何適應(yīng)這種代謝壓力的？研究人員首先阻斷了酵母的EMP途徑，并進行了實驗室自適應(yīng)進化實現(xiàn)了真核模式生物釀酒酵母的糖分解代謝這一代謝基礎(chǔ)的改動和替換，證明了真核生物中心碳代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可塑性。經(jīng)過全基因組測序等系統(tǒng)生物學解析以及反向驗證后，確定了MTH1，HXK2，OCA5三個突變位點。其中OCA5功能未有報導，研究人員在野生型酵母中敲除了OCA5并發(fā)現(xiàn)糖酵解的通量輕微下降但呼吸鏈的通量顯著提升。研究人員通過系統(tǒng)發(fā)育樹等分析，發(fā)現(xiàn)OCA5與其他OCA蛋白家族成員關(guān)系較遠，但對OCA5和OCA3的蛋白結(jié)構(gòu)進行比較顯示了二者結(jié)構(gòu)和可能的功能類似。OCA3之前被鑒定為肌醇焦磷酸酶，其催化形成的肌醇焦磷酸鹽是影響生物過程的重要細胞信使。那么OCA5是否也是一種肌醇焦磷酸酶呢? 其對生物過程通過何種機制進行調(diào)控？

研究人員分別在體外和體內(nèi)驗證了OCA5可以催化5-InsP7到InsP6，即OCA5是一種新的肌醇焦磷酸酶。進一步研究顯示，OCA5和OCA3均可以在丙酮酸脫羧酶缺失菌株中解除葡萄糖引發(fā)的呼吸抑制。同時，研究人員在畢赤酵母 (crabtree negative) 中也證明了OCA5的敲除可以提高線粒體總量，提示OCA5的功能并不局限于crabtree positive的釀酒酵母。表明磷酸肌醇分子對呼吸和糖酵解的代謝的調(diào)節(jié)是一個超出crabtree effect的更為基礎(chǔ)和深遠的影響機制。通過轉(zhuǎn)錄組學分析以及驗證實驗研究人員指出5-InsP7很可能是通過Gcr1和Hap4兩個轉(zhuǎn)錄因子來實現(xiàn)對呼吸和糖酵解的中心調(diào)控的，而其中Gcr1可以被5-InsP7焦磷酸化已被證實。Hap4轉(zhuǎn)錄因子的表達提升極有可能是通過Mig1的亞細胞定位所影響，且該過程是不依賴于Snf1信號機制。該結(jié)果表明除被廣泛研究的AMPK 信號途徑和mTERC信號途徑以外，InsP6作為ATP的能量感應(yīng)器，可以對細胞的代謝通過轉(zhuǎn)錄因子控制中心碳代謝宏觀擾動的方式來實現(xiàn)能量代謝的調(diào)節(jié)。該結(jié)果加深了研究人員對磷酸肌醇能量代謝機制的認識。呼吸和代謝通量的相互調(diào)節(jié)也是癌癥治療的一個重要研究方向。OCA蛋白家族內(nèi)部差異極大的系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明在真核生物中肌醇焦磷酸分布的隱蔽性。目前為止，在高等真核生物中尚未有肌醇焦磷酸酶的發(fā)現(xiàn)。該結(jié)果很可能也揭示了一個挖掘癌癥機制及其治療靶點的潛在方向。

除上述對磷酸肌醇重要機制的拓展與完善外，該論文還證明了混合型糖酵解酵母作為新型底盤細胞工廠的重要應(yīng)用意義，對生產(chǎn)以乙酰輔酶A為前體的化學品具有巨大潛力。研究人員以脂肪酸的生產(chǎn)為例探索混合型糖酵解酵母的潛力并最終實現(xiàn)了2678 mg/L的產(chǎn)量，這是迄今為止使用釀酒酵母的搖瓶發(fā)酵條件生產(chǎn)脂肪酸的最高產(chǎn)量，以及釀酒酵母生產(chǎn)游離脂肪酸所報道的最高底物得率。同時，混合型糖酵解酵母和OCA5突變的引入使得菌株的中心碳代謝發(fā)生重塑，避免了在高濃度葡萄糖產(chǎn)生的溢流代謝，將大大簡化其補料控制過程，節(jié)約下游發(fā)酵過程的人力物力投入，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值和商業(yè)競爭力。