2024年12月2日，德国图宾根大学Sofía Doello等人在Current Biology (IF=8.1)杂志在线发表题为Metabolite-level regulation of enzymatic activity controls awakening of cyanobacteria from metabolic dormancy的研究论文，文章研究了蓝藻葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PDH)的调控机制，发现G6PDH的不活化主要是由于抑制性代谢物(如ATP、柠檬酸和草酰乙酸)的积累。此外，本研究的发现还表明，代谢物水平的调控是蓝藻休眠苏醒程序背后的驱动力。这项研究强调了代谢物水平调控在确保快速和精确的酶控制中的关键重要性，使微生物能够迅速适应环境变化并经历发育转变。
自然界中的微生物时常面临各种不利于生长的环境胁迫，许多细菌通过进入休眠状态来应对这些状况。事实上，代谢休眠在细菌中非常普遍，大多数自然环境中的微生物处于休眠而非生长状态。单细胞蓝藻在营养限制下进入代谢休眠。特别是，蓝藻系Synechocystis sp. PCC 6803(以下简称Synechocystis)在氮耗竭期间的适应性，已成为研究细菌休眠的模型。当这种生物遭遇氮饥饿时，细胞会降解光合器官和大多数细胞组分，并以糖原的形式积累碳。这个过程被称为黄化，因为色素降解后观察到的漂白过程。一旦这些改变发生，细胞进入休眠状态，新陈代谢降至最低。
黄化细胞在氮补充之前保持静止状态，直到氮补充后才启动苏醒程序。该程序依赖于糖原储备的降解，作为能量和代谢物的来源，以恢复之前降解的所有细胞组分。先前的研究表明，糖原分解酶在黄化开始时产生，与糖原合成同时发生。因此，它们必须保持不活跃状态，直到氮变得可用并且需要糖原降解时才活化。我们已经证明，在氮饥饿期间严格控制糖原分解酶对生存至关重要，过早降解糖原储备会导致细胞死亡。
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PDH)催化葡萄糖-6-磷酸氧化为6-磷酸葡萄糖内酯。这一反应代表了氧化磷酸戊糖 (OPP)途径的第一步，这是所有生物体中存在的代谢途径，为细胞提供以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和戊糖形式的还原能量。在光合生物中，G6PDH还是OPP旁路的一部分，在碳固定期间补充Calvin-Benson-Bassham(CBB)循环的代谢物中起着重要作用。由于OPP途径和CBB循环之间存在共同反应，G6PDH在光合生物中通过氧化还原调节，以防止碳固定和分解同时发生。
在蓝藻中，唯一能够进行氧气光合作用的原核生物，通过氧化磷酸戊糖循环蛋白(OpcA)实现G6PDH的氧化还原调节。在白天，当光合电子传递和CBB循环运行时，OpcA主要由硫氧还蛋白(Trx)系统保持在还原状态，该系统从铁氧还蛋白(Fd)库接收电子。在这种情况下，不需要OPP途径的功能，OpcA以其还原形式抑制G6PDH，只留下维持OPP旁路运行所需的残余活性。在夜间，在没有光合电子传递的情况下，细胞降解其糖原储备以获取能量。在这些条件下，Trx系统不被Fd还原，OpcA主要处于氧化状态。OpcA中分子内二硫键的形成导致G6PDH的底物结合位点发生构象变化，增加其对葡萄糖-6-磷酸的亲和力并激活酶。因此，OpcA允许在昼夜循环中严格控制G6PDH。然而，在代谢静止条件下，OPP途径的通量是如何控制的，这一点尚不清楚。在本研究中，Sofía Doello等人调查了黄化细胞的氧化还原状态和代谢组，以及这些条件对糖原代谢和苏醒过程的调节效应。
本研究中，蓝藻P700、铁氧还蛋白Fd和NAD(P)氧化/还原的测定通过四通道动态LED阵列近红外光谱仪完成。
图1 黄化细胞的代谢和氧化还原状态。
(A) 营养生长和氮饥饿期间G6PDH和6-磷酸葡萄糖的丰度。(B) Synechocystis电子传递链。(C) 营养细胞和黄化细胞中P700反应中心、质体蓝素(PC)、铁氧还蛋白(Fd)和NAD(P)H的荧光。细胞暗适应后开始测量。黄色和灰色虚线分别表示开灯和关灯的时间。黑色五角星表示光照期间P700的瞬时还原阶段。黑色菱形表示关灯后P700的缓慢还原阶段。
(A)ATP，(B)柠檬酸，(C)草酰乙酸，(D)谷氨酰胺和(E) 3-磷酸甘油醛。左列显示了在饱和底物浓度(10 mM6-磷酸葡萄糖)和Km浓度(OpcA存在时0.5 mM6-磷酸葡萄糖，OpcA不存在时5 mM 6-磷酸葡萄糖)下相应代谢物的滴定。右列显示了在选定浓度下相应代谢物对酶动力学的影响。
(A)在500 mM MSX处理和未处理的情况下苏醒开始时的ATP水平。(B)在500 mM MSX处理和未处理的情况下苏醒开始时的糖原水平。(C)在500 mM MSX处理和未处理的情况下苏醒期间的细胞再绿化。(D)野生型和DgltB菌株的恢复试验。不同的行代表从OD750为1开始的黄化培养物的连续稀释（100, 10-1, 和 10-2）。
Sofía D., Jakob S., Nathan von M., et al. Metabolite-level regulation of enzymatic activity controls awakening of cyanobacteria from metabolic dormancy[J]. Current Biology, 2024, 35: 1-10.