沙门氏菌谷氨酰胺合成酶的乙酰化调控机理研究

氮代谢与碳代谢一样，对于细胞的生长分裂具有举足轻重的作用。我们前期研究发现蛋白酶赖氨酸的乙酰化修饰对代谢具有重要的调控作用，且发现鼠伤寒沙门氏菌氮代谢的关键酶谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）也受乙酰化修饰，但乙酰化对GS具体的调控机理尚不清楚。本项目拟从质谱鉴定出发，通过定点突变确定乙酰化修饰位点，测定GS酶活力和对各底物Km值的变化，研究乙酰化与腺苷酰化之间的相互关系，探究乙酰化调控GS的酶学机理；以自制抗体检测比较在不同生理条件下沙门氏菌GS的乙酰化状态，同时结合整合突变技术互补GS编码基因glnA，认识乙酰化调控GS的生理效应。上述工作在生化理论上，首次将碳氮代谢的翻译后修饰相关联；在生理理论上，是用全局调控的视角来探索维持细胞碳氮代谢平衡的新机制。

乙酰化可以通过感知环境中的能量变化来协调不同代谢酶之间的活性。在本研究中，我们研究发现乙酰基转移酶Pat和去乙酰化酶CobB通过对沙门氏菌谷氨酰胺合成酶GS的K164和K353两个位点进行可逆的乙酰化修饰，从而完成对GS的调控。在体外用乙酰基转移酶Pat进行乙酰化处理，发现可以激活被腺苷酰化失活的GS的比活力将近4倍。另外，在高氨的环境下表达GS时添加NAM（去乙酰化酶抑制剂）或者在沙门氏菌的去乙酰化酶CobB敲除突变株中表达均可提高GS的比活力。然而，乙酰化却对没有被腺苷酰化修饰失活的GS或模拟非腺苷酰化的GS点突变蛋白没有激活作用。GS的乙酰化修饰受到培养基中的葡萄糖等碳源的调控，而不是培养基中的氮源氨或者硝酸盐。高糖的培养条件可以激活被腺苷酰化失活的GS。在生长表型试验中，pat/gdhA双敲除突变株在高氨和高糖的基本培养基中的生长受到严重的抑制，但在高糖低氨的基本培养基中，这种抑制作用可以被缓解。综上所述，我们发现乙酰化除了作为能量代谢的协调者的角色外，还可以协调氮同化和碳代谢，使沙门氏菌可以迅速地响应环境中营养物质的变化，适应多变的外部环境。