大肠杆菌碳分解代谢抑制及混合 C 源共利用的研究进展简

总结了大肠杆菌中C源分解代谢（ carbon catabolite repression,CCR）现象的原理及特点,综述并分析了如何通过对宿主菌进行基因工程改造以解除碳代谢抑制,以实现大肠杆菌利用多种C源。     

枯草芽孢杆菌ccpA基因敲除及对其核黄素产量的影响

CcpA蛋白是介导枯草芽孢杆菌碳分解代谢物阻遏(CCR)的全局调控因子,由ccpA基因编码。CCR效应的存在影响B.subtilis对葡萄糖的利用,降低B.subtilis生产发酵产品的效率。采用基因重组技术敲除了核黄素发酵菌株B.subtilis24/pMX45的ccpA基因,构建了CcpA缺陷株B.subtilis24A1/pMX45。发酵结果显示:B.subtilis24A1/pMX45能够在70h内基本耗尽10%的葡萄糖,生物量达到1.5×109个细胞/mL,溢流代谢产物积累量减少,在8%和10%葡萄糖浓度下,B.subtilis24A1/pMX45核黄素产量分别比B.subtilis24/pMX45提高了62%和95%。CcpA的缺陷,可以缓解葡萄糖引起的CCR效应,显著提高菌株的核黄素产量。     

单核细胞增生李斯特菌中CcpA缺失株的构建及对毒力的影响

CcpA是革兰氏阳性菌中由ccpA基因编码的介导碳分解代谢物阻遏的全局调控因子。近年来的研究表明,CcpA不仅参与CCR效应,还直接或间接参与病原细菌毒力基因的表达调控。为探讨CcpA对单核细胞增生李斯特菌（Lm）毒力的影响,应用同源重组方法构建CcpA缺失菌株。以BLAB/c小鼠为实验动物模型,检测野生株EGDe和缺失株EGDeΔccpA侵染小鼠后的半数致死剂量 LD₅₀和肝脾细菌载菌量,观察小鼠肝脏和脾脏的病理形态变化。结果显示：缺失CcpA后,Lm的LD₅₀降低了10倍,虽然肝脾细菌载菌量没有显著变化,但EGDe△ccpA对小鼠肝和脾的损害更为严重,表明CcpA缺失增强了细菌的毒力,CcpA 对Lm 毒力基因的表达可能具有间接或者直接的调控作用。     

hprK 基因敲除及对其枯草芽孢杆菌核黄素发酵的影响

枯草芽孢杆菌在葡萄糖丰富的环境中,胞内糖分解代谢物浓度的提高将引起碳分解代谢物阻遏效应（CCR）及糖吸收 的抑制,对核黄素等发酵过程产生不利影响。通过缺陷细胞的分解代谢物控制蛋白A（CcpA）可以解除CCR效应,但不能解除糖吸收的抑制。磷酸烯醇式丙酮酸-糖磷酸转移酶系统（PTS）是枯草芽孢杆菌主要的糖吸收方式,HPr蛋白和双功能的HPr激酶/HPr-Ser46-P 磷酸酶（HprK/P）参与PTS系统的调控。在葡萄糖丰富的条件下,K96SRQ 的激酶活性受1,6二磷酸果糖激活,催化HPr蛋白46位丝氨酸残基磷酸化,形成HPr-Ser46-P.HPr-Ser46-P抑制某些碳源透过酶基因的表达;同时HPr-Ser46-P难以被酶I在His15磷酸化,不能在PTS系统中发挥转移磷酸基团的作用,使细胞的糖吸收受到抑制。在CcpA缺陷的背景下,敲除核黄素生产菌株B.subtilis24Al/Pmx45 的HprK/P 编码基因hprK,构建了CcpA和HprK/P双缺陷的重组菌B.subtilisZHc/Pmx45.摇瓶发酵显示,B.subtilisZHc/Pmx45核黄素发酵的最适葡萄糖浓度由24Al/Pmx45的8%提高到10%;核黄素产量达到4.374mg/Ml,比24Al/Pmx45提高了19.2%。结果表明,CcpA和HprK/P的双缺陷可有效解除高浓度葡萄糖所引起的CCR效 应和糖吸收抑制,有助于提高细胞对葡萄糖的耐受力,并提高核黄素产量。     

大肠杆菌碳分解代谢抑制及混合C源共利用的研究进展

总结了大肠杆菌中C源分解代谢(carbon catabolite repression,CCR)现象的原理及特点,综述并分析了如何通过对宿主菌进行基因工程改造以解除碳代谢抑制,以实现大肠杆菌利用多种C源。     

hprK基因敲除及对其枯草芽孢杆菌核黄素发酵的影响

枯草芽孢杆菌在葡萄糖丰富的环境中,胞内糖分解代谢物浓度的提高将引起碳分解代谢物阻遏效应(CCR)及糖吸收的抑制,对核黄素等发酵过程产生不利影响。通过缺陷细胞的分解代谢物控制蛋白A(CcpA)可以解除CCR效应,但不能解除糖吸收的抑制。磷酸烯醇式丙酮酸-糖磷酸转移酶系统(PTS)是枯草芽孢杆菌主要的糖吸收方式,HPr蛋白和双功能的HPr激酶/HPr-Ser46-P磷酸酶(HprK/P)参与PTS系统的调控。在葡萄糖丰富的条件下,HprK/P的激酶活性受1,6-二磷酸果糖激活,催化HPr蛋白46位丝氨酸残基磷酸化,形成HPr-Ser46-P。HPr-Ser46-P抑制某些碳源透过酶基因的表达;同时HPr-Ser46-P难以被酶Ⅰ在His15磷酸化,不能在PTS系统中发挥转移磷酸基团的作用,使细胞的糖吸收受到抑制。在CcpA缺陷的背景下,敲除核黄素生产菌株B.subtilis24A1/pMX45的HprK/P编码基因hprK,构建了CcpA和HprK/P双缺陷的重组菌B.subtilisZHc/pMX45。摇瓶发酵显示,B.subtilisZHc/pMX45核黄素发酵的最适葡萄糖浓度由24A1/pMX45的8%提高到10%;核黄素产量达到4.374mg/mL,比24A1/pMX45提高了19.2%。结果表明,CcpA和HprK/P的双缺陷可有效解除高浓度葡萄糖所引起的CCR效应和糖吸收抑制,有助于提高细胞对葡萄糖的耐受力,并提高核黄素产量。     

嗜碱Bacillus sp. N16-5不同碳源条件下比较蛋白质组分析

为了解碳水化合物对嗜碱微生物代谢途径的影响, 用蛋白质组学方法比较分析了不同碳源条件下培养的嗜碱菌的胞浆蛋白质变化, 试图找到差异表达的蛋白. 分离自内蒙古乌杜淖尔碱湖的嗜碱Bacillus sp. N16-5, 在含有5种不同碳源(葡萄糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖和木糖)的培养基中培养. 比较蛋白质组学分析鉴定了61个差异表达蛋白, 它们主要参与碳水化合物代谢、氨基酸转运和代谢、能量的产生和贮存. 结果表明, 不同碳水化合物条件下参与中央代谢途径酶的丰度发生了很大的变化, 尤其是碳代谢调控蛋白A(CcpA)均被上调. 同时发现, 在CcpA参与调控的碳代谢抑制现象中戊糖表现出比己糖更强的效应. 上述结果为进一步理解嗜碱微生物碳水化合物代谢奠定了基础.     

假单胞菌中影响碳代谢的三种途径及其调控机制

当环境中存在多种生长介质时,微生物会利用自身的代谢调控系统优先选择最适碳源达到最佳的生长,同时抑制非优势碳源的利用,这种现象叫做碳代谢抑制。目前已知有CbrAB/Crc、CyoABCDE及PTSNtr三个系统参与假单胞菌中碳代谢抑制调控。其中CbrAB/Crc系统由双组份CbrA/CbrB、非编码sRNA以及RNA结合蛋白Crc组成,通过自由Crc的水平来调控非优势碳源代谢基因的转录。CyoABCDE系统由一些末端氧化酶构成,通过电子转移来调控非优势碳源代谢基因的表达。PTSNtr系统由PtsP、PtsO及PtsN三种蛋白组成,通过系统的磷酸化激活PtsN从而对代谢基因进行调控。本文将详细介绍了假单胞菌中三种碳代谢抑制调控系统的作用机制。     

改变碳输入对沂蒙山区典型次生林土壤微生物碳源代谢功能的影响

凋落物和根系向土壤的碳输入是森林生态系统的关键过程,输入量及组分的变化直接影响森林土壤碳汇功能和生产力。在沂蒙山区栎类天然次生林中,开展添加/去除凋落物及去除根系的定位控制试验。于控制试验开展21个月后,采用Biolog Eco微平板培养法,研究凋落物和根系对土壤微生物碳源代谢功能的影响。结果表明,凋落物倍增处理增加了土壤微生物碳源代谢功能,增加了对糖类和胺类的代谢能力。去除凋落物处理、去除根系处理和无输入处理都降低了土壤微生物碳源代谢功能。去除凋落物处理降低土壤微生物碳源代谢功能的幅度大于去除根系处理,表明当前条件下凋落物对土壤微生物碳源代谢功能的影响大于根系,但如果抛除掉去除根系处理中残留根系的影响,凋落物和根系对土壤微生物碳源代谢功能的相对大小可能会发生变化。土壤有机碳含量、铵态氮含量显著影响微生物碳源代谢多样性（P<0.05）,并与碳源代谢功能正相关。凋落物倍增处理通过增加土壤铵态氮和有机碳含量,增加微生物碳源代谢功能,去除凋落物处理和无输入处理通过降低土壤铵态氮和有机碳含量,降低微生物碳源代谢功能。结果深化了碳输入途径（地上凋落物与地下根系）和数量（凋落物倍增、凋落物去除与对照）对温带栎类天然次生林土壤碳代谢过程的认识。     

化脓性链球菌碳水化合物代谢及毒力影响研究进展

化脓性链球菌(Streptococcus pyogenes)是一种引起人类多种疾病的革兰阳性病原菌,在宿主体内获取营养物质是其生存和繁殖进而损伤宿主的前提,其中碳水化合物是营养物质的主要成分。化脓性链球菌具有糖酵解、非完全糖酵解及磷酸烯醇丙酮酸依赖性磷酸转移酶系统(Phosphoenol pyruvate-dependent phosphotransferase pathway, PTS)等的葡萄糖、乳糖和苹果酸摄取途径,具有碳分解代谢物阻遏、分解代谢物控制蛋白A和PTS等碳代谢调节方式,并且宿主体内葡萄糖、乳糖和苹果酸浓度的变化都会使其毒力发生改变。主要对化脓性链球菌碳水化合物摄取途径、代谢调节和对毒力影响等方面进行综述,为化脓性链球菌碳水化合物摄取所影响的调控网络和代谢通路的深入研究提供依据。     

大肠杆菌分解代谢产物阻遏效应研究进展

细菌在多种碳源共存的环境中优先利用一种(通常是葡萄糖)的现象被称为分解代谢产物阻遏效应。国内现有分子生物学及相关课程教材普遍对该效应的机理解释不清甚至给出错误的解释。大肠杆菌葡萄糖-乳糖分解代谢产物阻遏效应产生的根本原因不是胞内葡萄糖的存在, 而是葡萄糖经PTS(Phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase system)系统向胞内运输同时藕联磷酸化的过程。磷酸向葡萄糖的传递导致PTS关键组分EⅡA^Glc去磷酸化形式的积累。该形式的EⅡA^Glc可以与质膜上本底表达的乳糖透性酶LacY结合, 阻止诱导物乳糖的吸收。cAMP的影响也是通过激活参与PTS系统的关键基因而加强了诱导物排斥作用。此外, 去磷酸化形式的EⅡBGlc和YeeⅠ对全局性转录阻遏蛋白Mlc活性的抑制也保证了PTS系统关键组分蛋白的基因表达。文章综述了近年来有关大肠杆菌分解代谢产物阻遏效应机理的最新研究进展, 并对相关教材有关这一内容的阐述提出了修改建议。     

Molecular analysis of the interaction between the Bacillus subtilis trehalose repressor TreR and the tre operator

The trehalose operon of Bacillus subtilis is subject to regulation by induction, mediated by the repressor TreR, and by carbon catabolite repression (CCR). For in vitro investigations, TreR from B. subtilis was overproduced and purified. Its molecular mass, as estimated by SDS-PAGE, is 27 kDa. Size fractionation under native conditions yielded a size estimate of 56 kDa, indicating that TreR exists as a dimer in its native state. Analysis of its interaction with various DNA fragments shows that TreR is able to recognize two tre operators with different efficiencies, and indicates cooperative binding. Previous results have suggested that CCR of the tre operon occurs by a mechanism in which the specific regulator, TreR, may be involved independently of the central component, CcpA. The data presented here indicate that the TreR-tre operator interaction is influenced by several effectors. Thus, the presence of trehalose-6-phosphate, as well as glucose-1-phosphate and sodium chloride, inhibits tre operator binding. Glucose-6-phosphate can act as an anti-inducer, which might reflect its additional role in CCR exerted by glucose. Received: 28 April 1998 / Accepted: 8 July 1998     

Glucose kinase of Streptomyces coelicolor A3(2): large-scale purification and biochemical analysis

Glucose kinase of Streptomyces coelicolor A3(2) is essential for glucose utilisation and is required for carbon catabolite repression (CCR) exerted through glucose and other carbon sources. The protein belongs to the ROK-family, which comprises bacterial sugar kinases and regulators. To better understand glucose kinase function, we have monitored the cellular activity and demonstrated that the choice of carbon sources did not significantly change the synthesis and activity of the enzyme. The DNA sequence of the Streptomyces lividans glucose kinase gene glkA was determined. The predicted gene product of 317 amino acids was found to be identical to S. coelicolor glucose kinase, suggesting a similar role for this protein in both organisms. A procedure was developed to produce pure histidine-tagged glucose kinase with a yield of approximately 10 mg/l culture. The protein was stable for several weeks and was used to raise polyclonal antibodies. Purified glucose kinase was used to explore protein-protein interaction by surface plasmon resonance. The experiments revealed the existence of a binding activity present in S. coelicolor cell extracts. This indicated that glucose kinase may interact with (an)other factor(s), most likely of protein nature. A possible cross-talk with proteins of the phosphotransferase system, which are involved in carbon catabolite repression in other bacteria, was investigated.