责编 | 王一
低碳是全球发展的方向。中国承诺于2035年前实现‘碳达峰’和2060年前实现‘碳中和’。藻类有潜力在‘双碳’行动中发挥重要作用。藻类通过光合作用固定CO 2 并释放氧气，是地球碳-氧循环的重要参与者。保守估计，藻类固定了地球上超过40%的CO 2 ，是地球至关重要的初级生产力。藻类将固定的CO 2 转化成多种物质储存在细胞内。其中甘油三酯 （TAG） 是一种常见的储能物质，可达藻细胞干重的50%，是生产生物能源的理想原料。阐明脂质代谢机理将为工程改造藻类提高油脂含量和产量提供重要启示。
作为模式藻，莱茵衣藻 (Chlamydomonas reinhrdtii) 被广泛用来研究脂质代谢 【1】 。TAG的积累由合成和降解代谢控制。正常生长情况下，衣藻中从头合成的脂肪酸 （FA） 主要分配到膜脂。当生长受到胁迫时，TAG大量合成，储存FA。当胁迫去除时，TAG降解，释放的FA进入β-氧化途径，为细胞再生长提供碳源和能量来源。不论是进入TAG还是进入β-氧化途径，FA需要被活化成脂酰CoA，由长链脂酰CoA合成酶 （LACS） 催化。因此，LACS在脂质代谢中扮演着重要的角色。衣藻有3个LACS （LACS1, LACS2和LACS3） ，尽管已有研究报道衣藻LACS2参与了TAG合成【2】 ，但它们的生化特征以及在维持衣藻脂质稳态应对环境变动中的作用仍然不甚清楚。
近日，北京大学刘进教授课题组在New Phytologist杂志在线发表了题为Long-chain acyl-CoA synthetases activate fatty acids for lipid synthesis, remodeling and energy production in Chlamydomonas的研究论文，揭示了莱茵衣藻长链脂酰CoA合成酶成员在脂质代谢应对环境变化中的作用机制。
该研究首先通过体外酶活分析发现，LACS1，LACS2和LACS3都能够催化多种FA，且没有明显的底物偏好性。当从氮充足 （NR） 转到氮缺乏 （ND） 条件下，衣藻中总脂肪酸 （TFA） 和TAG含量增加， LACS1和LACS2转录水平大幅上调，而LACS3保持低转录水平。当从ND转到氮回复 （NDR） 条件下，衣藻中TFA和TAG含量下降，LACS1和LACS2转录水平急剧下调，然后再次上调，而LACS3转录水平大幅上调。为进一步研究它们的功能，研究人员对每个基因的缺失突变体 （crlacs1-1, crlacs2-1, crlacs3-1） 开展了生理、生化 （脂质组学） 和遗传分析。生长方面，1）NR和ND条件下，缺失突变体与野生型都没有明显区别；2）NDR条件下，野生型快速生长，而缺失突变体的生长明显受损，其中crlacs3-1的生长几乎停止。脂质方面，1）NR条件下，缺失突变体和野生型没有明显区别；2）ND条件下，crlacs1-1和crlacs2-1的TFA和TAG含量都显著低于野生型，而半乳糖脂 （叶绿体膜成分） 显著高于野生型；3）NDR条件下，野生型的TAG快速降解，crlacs1-1和crlacs2-1的TAG降解速率与野生型相似，而crlacs3-1的TAG降解严重受损。缺失突变体的回补能够回复相关表型。此外，比较转录学分析表明，缺失突变体中的脂质变化很可能是由代谢调整而非转录重编程引发。
综合起来，研究人员提出了一个工作模型来阐释衣藻LACS成员的功能和生理作用 （图1） 。多个细胞器参与脂质代谢，包括叶绿体，内质网，脂滴和过氧化物酶体。LACS1， LACS2 和 LACS3将这些细胞器联系起来，通过时空的精妙合作来维系衣藻脂质稳态。LACS1和 LACS2位于内质网和 （或者） 脂滴，都参与活化FA供正常生长情况下内质网膜脂的合成；缺失LACS1和 LACS2会分别激活LACS2和 LACS1的转录上调来补偿，从而避免影响膜脂合成和细胞生长。当面临胁迫比如ND，LACS1和LACS2转录水平受诱导大幅上调，为内质网膜上的酰基转移酶 （比如DGAT） 提供充足的脂酰CoA来合成TAG；另一方面，位于过氧化物酶体中的LACS3转录水平维持在低水平以减少FA β-氧化和TAG降解，从而保证TAG的大量积累。LACS1 和 LACS2功能上有重叠，但两者对于TAG合成都是必不可少的。当胁迫去除时，LACS3受诱导大幅上调，与TAG降解相关的脂酶 （比如LIP1和LIP4） 和FA β-氧化相关的酶 （比如ACX2） 协作来实现TAG的再利用，为细胞再生长提供碳源和能量来源。与此同时，LACS1 和 LACS2再次上调表达，为细胞快速生长所需的膜脂提供充足的脂酰CoA。
图1衣藻LACS成员的工作模式图
北京大学工学院刘进为该论文的通讯作者，已出站博士后白帆为第一作者。法国原子能与替代能源研究所和艾克斯-马赛大学的Li-Beisson教授作为共同作者参与其中。该项工作由国家自然科学基金面上项目 和科技部国家重点研发计划 支持。研究开展过程中，得到了西湖大学李小波教授、中科院植物所杨文强教授和其他从事衣藻同行的帮助。
参考文献：
[1] Li-Beisson Y, Beisson F, Riekhof W. Metabolism of acyl-lipids in Chlamydomonas reinhardtii. Plant Journal. 2015;82:504–522.
[2] Li X, Zhang R, Patena W, Gang SS, Blum SR, Ivanova N, et al. An indexed, mapped mutant library enables reverse genetics studies of biological processes in Chlamydomonas reinhardtii. The Plant Cell. 2016;28:367-387.
论文链接:
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.17813