Căng thẳng oxy hóa do thiếu nitơ làm giảm sự ức chế của PII đối với hoạt động của acetyl-CoA carboxylase (ACCase) và kích thích tổng hợp lipid ở Synechococcus PCC 7942

Springer Science and Business Media LLC - Tập 33 - Trang 313-329 - 2020
Ekta Verma1, Sindhunath Chakraborty1, Surbhi Kharwar1, Balkrishna Tiwari1, Satya Shila Singh2, Arun Kumar Mishra1
1Laboratory of Microbial Genetics, Department of Botany, Banaras Hindu University, Varanasi, India
2Laboratory of Cyanobacterial Systematics & Stress Biology, Department of Botany, Banaras Hindu University, Varanasi, India

Tóm tắt

Nghiên cứu hiện tại cho thấy sự tồn tại của tương tác PII-acetyl-CoA carboxylase trong vi khuẩn lam Synechococcus sp. PCC 7942 và tác động tiêu cực có thể xảy ra của tình trạng thiếu nitơ đối với tương tác này. Phân tích in silico và in vitro về tương tác PII-acetyl-CoA carboxylase cho thấy rằng subunit protein vận chuyển carboxyl biotin của enzyme acetyl-CoA carboxylase thực sự tương tác với T-loop của protein PII. Tuy nhiên, việc tiếp xúc với điều kiện thiếu nitơ đã làm tăng sự biểu hiện và hoạt động của acetyl-CoA carboxylase ở mức độ tế bào, điều này chỉ ra rằng sự tương tác PII-acetyl-CoA carboxylase đã bị suy giảm. Một tác động kích thích tương tự của tình trạng thiếu nitơ cũng đã được ghi nhận ở đột biến PII của Synechococcus PCC 7942. Hơn nữa, nghiên cứu sinh lý phản ánh rằng sự thiếu nitơ gây ra sự hình thành các gốc oxy phản ứng trong hai chủng hoang dã và đột biến PII, và lipid đã tăng lên ở cả hai chủng Synechococcus sp. PCC 7942. Phân tích proteomic cho thấy sự tăng cường chuyển hóa glycogen synthase, biotin carboxylase và các enzyme chống oxy hóa, cùng với sự mất điều hòa của các protein liên quan đến quang hợp, chuyển hóa năng lượng và tổng hợp protein. Thú vị thay, sự gia tăng tích lũy của một vài gen chu trình axit ba carboxylic cũng đã được ghi nhận trong chủng hoang dã. Mặc dù tình trạng căng thẳng oxy hóa và sản xuất lipid đã được nâng cao ở cả hai chủng thử nghiệm dưới tình trạng thiếu nitơ, nhưng tác động này nổi bật hơn ở chủng đột biến. Kết quả của chúng tôi gợi ý rằng căng thẳng oxy hóa do thiếu nitơ có thể làm giảm sự ức chế của PII đối với acetyl-CoA carboxylase và dẫn đến tăng cường tổng hợp lipid ở Synechococcus PCC 7942.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Allen NM (1984) Cyanobacterial cell inclusions. Annu Rev Microbiol 38:1–25 Berman-Frank I, Bidle KD, Haramaty L, Falkowsky PG (2004) The demise of the marine cyanobacterium, Trichodesmium spp., via an autocatalyzed cell death pathway. Limnol Oceanogr 49:997–1005 Carrieri D, Lombardi T, Paddock T, Cano M, Goodney GA, Nag A, Old W, Maness PC, Seibert M, Ghirardi M, Yua J (2017) Transcriptome and proteome analysis of nitrogen starvation responses in Synechocystis 6803 ΔglgC, a mutant incapable of glycogen storage. Algal Res 21:64–75 Chang IF, Curran A, Woolsey R, Quilici D, Cushman JC, Mittler R, Harmon A, Harper JF (2009) Proteomic profiling of tandem affinity purified 14-3-3 protein complexes in Arabidopsis thaliana. Proteomics 9:2967–2985 Cronan JE Jr (2002) Interchangeable enzyme modules. J Biol Chem 277:22520–22527 Curci PL, Cigliano RA, Zuluaga DL, Janni M, Sanseverino W, Sonnante G (2017) Transcriptomic response of durum wheat to nitrogen starvation. Sci Rep 7:1176 Davis MS, Jr Cronan JE (2001) Inhibition of Escherichia coli acetyl coenzyme a carboxylase byacyl-acyl carrier protein. J Bacteriol 183:1499–1503 Deschoenmaeker F, Facchini R, Leroy B, Badri H, Zhang CC, Wattiez R (2014) Proteomic and cellular views of Arthrospira sp. PCC 8005 adaptation to nitrogen depletion. Microbiol 160:1224–1236 Ding Y, Gan N, Li J, Sedmak B, Song L (2012) Hydrogen peroxide induces apoptotic-like cell death in Microcystis aeruginosa (Chroococcales, Cyanobacteria) in a dose-dependent manner. Phycologia 51:567–575 Dong W, Wang M, Xu F, Quan T, Peng K, Xiao L, Xia G (2013) Wheat oxophytodienoate reductase gene TaOPR1 confers salinity tolerance via enhancement of abscisic acid signaling and reactive oxygen species scavenging. Plant Physiol 161:1217–1228 Feria Bourrellier AB, Valot B, Guillot A, Ambard-Bretteville F (2010) Chloroplast acetyl-CoA carboxylase activity is 2-oxoglutarate regulated by interaction of PII with the biotin carboxyl carrier subunit. Proc Natl Acad Sci 107:502–507 Folch J, Lees M, Sloane-Stanley GH (1957) A simple method for the isolation and purification of total lipids from animal tissues. J Biol Chem 226:497–509 Fulda S, Mikkat S, Huang F, Huckauf J, Marin K, Norling B, Hagemann M (2006) Proteome analysis of salt stress response in the cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803. Proteomics 6:2733–2745 García-Domínguez M, Florencio FJ (1997) Nitrogen availability and electron transport control the expression of glnB gene (encoding PII protein) in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Plant Mol Biol 35:723–734 Gerhardt EC, Rodrigues TE, Müller-Santos M, Pedrosa FO (2015) The bacterial signal transduction protein GlnB regulates the committed step in fatty acid biosynthesis by acting as a dissociable regulatory subunit of acetyl-CoA carboxylase. Mol Microbiol 95:1025–1035 Gordillo FJL, Jiménez C, Figueroa FL, Niell FX (1999) Effects of increased atmospheric CO2 and N supply on photosynthesis, growth and cell composition of the cyanobacterium Spirulina platensis (Arthrospira). J Appl Phycol 10:461–469 Hasunuma T, Kikuyama F, Matsuda M, Aikawa S, Izumi Y, Kondo A (2013) Dynamic metabolic profiling of cyanobacterial glycogen biosynthesis under conditions of nitrate depletion. J Exp Bot 64:2943–2954 Hauf W, Schmid K, Gerhardt ECM, Huergo LF (2016) Interaction of the nitrogen regulatory protein GlnB(PII) with biotin carboxyl carrier protein (BCCP) controls acetyl-CoA levels in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Front Microbiol 7:1700 He YY, Hader DP (2002) UV-B-induced formation of reactive oxygen species and oxidative damage of the cyanobacterium Anabaena sp.: protective effects of ascorbic acid and N acetyl cysteine. J Photochem Photobiol 66:115–124 Hickman JW, Kotovic KM, Miller C, Warrener P, Kaiser B, Jurista T, Budde M, Cross F, Roberts JM, Carleton M (2013) Glycogen synthesis is a required component of the nitrogen stress response in Synechococcus elongatus PCC 7942. Algal Res 2:98–106 Huergo LF, Chandra G, Merrick M (2013) PII signal transduction proteins: nitrogen regulation and beyond. FEMS Microbiol Rev 37:251–283 Kaczmarzyk D, Fulda M (2010) Fatty acid activation in cyanobacteria mediated by acyl-acyl carrier protein synthetase enables fatty acid recycling. Plant Physiol 52:1598–1610 Kumar R, Biswas K, Singh PK, Singh PK, Elumalai S, Shukla P, Pabbi S (2017) Lipid production and molecular dynamics simulation for regulation of accD gene in cyanobacteria under different N and P regimes. Biotech Biofuels 10:94 Li SJ, Cronan JE Jr (1992) The gene encoding the biotin carboxylase subunit of Escherichia coli acetyl-CoA carboxylase. J Biol Chem 267:855–863 Merrick M (2014) Post-translational modification of PII signals transduction proteins. Front Microbiol 5:763 Nayeem A, Sitkoff D, Krystek S Jr (2006) A comparative study of available software for high accuracy homology modeling: from sequence alignments to structural models. Protein Sci 15:808–824 Pardo MA, Llama MJ, Serra JL (1999) Purification, properties and enhanced expression under nitrogen starvation of the NADP-isocitrate dehydrogenase from the cyanobacterium Phormidium laminosum. Biochim Biophys Acta 1431:87–96 Płociński P, Laubitz D, Cysewski D, Stoduś K, Kowalska K, Dziembowski A (2014) Identification of protein partners in mycobacteria using a single-step affinity purification method. PLoS One 9:e91380 Podkowiński J, Tworak A (2011) Acetyl-coenzyme a carboxylase – an attractive enzyme for biotechnology. BioTechnologia 92:321–335 Rhee EC, Cronan JE (2003) The biotin carboxylase-biotin carboxyl carrier protein complex of Escherichia coli acetyl-CoA carboxylase. J Biol Chem 278:30806–30812 Rippka R, Deruelles J, Waterbury JB, Herdman MR, Stanier RY (1979) Generic assignments, strain histories and properties of pure cultures of cyanobacteria. J Gen Microbiol 111:1–61 Rodrigues TE, Gerhardt EC, Oliveira MA, Chubatsu LS (2014) Search for novel targets of the PII signal transduction protein in bacteria identifies the BCCP component of acetyl-CoA carboxylase as a PII binding partner. Mol Microbiol 91:751–761 Sambrook J, Fritsch EF, Maniatis T (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor, NY Sumper M, Träuble H (1973) Membranes as acceptors for palmitoyl CoA in fatty acid biosynthesis. FEBS Lett 30:29–34 Thelen JJ, Mekhedov S, Ohlrogge JB (2001) Brassicaceae express multiple isoforms of biotin carboxyl carrier protein in a tissue-specific manner. Plant Physiol 125:2016–2028 Tichy M, Vermaas W (1999) In vivo role of catalase-peroxidase in Synechocystis sp. strain PCC6803. J Bacteriol 181:1875–1882 Verma E, Chakraborty S, Tiwari B, Mishra AK (2018a) Transcriptional regulation of acetyl CoA and lipid synthesis by PII protein in Synechococcus PCC 7942. J Basic Microbiol 58:187–197 Verma E, Chakraborty S, Tiwari B, Singh S, Mishra AK (2018b) Alleviation of NaCl toxicity in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7942 by exogenous calcium supplementation. J Appl Phycol 30:1465 Wagner MA, Eschenbrenner M, Horn TA, Kraycer JA, Mujer CV, Hagius S, Elzer P, DelVecchio VG (2002) Global analysis of the Brucella melitensis proteome: identification of proteins expressed in laboratory- grown culture. Proteomics 2:1047–1060 Watanabe M, Ikeuchi M (2013) Phycobilisome: architecture of a light-harvesting supercomplex. Photosynth Res 116:265–276 Willis LB, Omar WSW, Sambanthamurthi R, Sinskey AJ (2008) Non radioactive assay for acetyl-a carboxylase activity. J Oil Palm Res 2:30–36 Yilancioglu K, Cokol M, Pastirmaci I, Erman B, Cetiner S (2014) Oxidative stress is a mediator for increased lipid accumulation in a newly isolated Dunaliella salina strain. PLoS One 9:e91957