【科研新声】南昌大学刘进团队和水生所马海燕团队揭示微藻EPA合成关键“瓶颈”

01 导读

02 文章亮点

03 核心内容

挖掘并鉴定微拟球藻中的关键脂肪酸延伸酶NoELO2

研究团队首先在N. oceanica基因组中鉴定了12个推测的脂肪酸延伸酶（NoELOs）。尽管这些蛋白具有保守的结构域，但其转录水平差异巨大，其中NoELO2表达量极低。通过在酿酒酵母中进行异源表达筛选，发现仅有NoELO2表现出显著的C16脂肪酸延伸活性，能够将C16:0和C16:1转化为C18:0和C18:1（图1）。这一结果表明，NoELO2是微拟球藻中负责C16至C18延伸的关键酶。

图1.NoELO2在酵母中的异源表达及功能验证

亚细胞定位揭示NoELO2处于脂质合成的战略要地

为了明确NoELO2在细胞内的作用位置，研究团队构建了NoELO2::eGFP融合蛋白并在微拟球藻中表达。激光共聚焦显微镜观察显示，绿色荧光信号呈现包围叶绿体但不与叶绿体自发荧光重叠的环状结构，表明NoELO2定位于叶绿体相关内质网（cER）（图2）。这一特殊的亚细胞定位使得NoELO2处于质体脂肪酸合成与叶绿体外脂质代谢的连接点，能够直接截获从质体输出的C16脂肪酸并将其延伸，为下游EPA合成提供底物。

图2.NoELO2在微拟球藻中的亚细胞定位

过表达NoELO2显著提升EPA含量与产量

研究团队利用强启动子pTub在微拟球藻中过表达NoELO2。结果显示，过表达株系在氮充足（图3A）和缺氮条件（图3B）下均表现出优异的性状，且生物量未受影响。在氮充足条件下，过表达株系的EPA含量最高达到66.1 mg/g干重，较对照组提升了49.2%；EPA产量达到91.49 mg/L，提升了71.8%。转录组分析表明，NoELO2的过表达不仅打通了C16瓶颈，还引发了下游EPA合成途径基因的协同上调（图4）

图3.NoELO2过表达株在氮充足（A）和氮缺乏（B）条件下的生长与脂质积累

图4.NoELO2过表达株在氮充足培养第2天去饱和酶和延长酶基因的表达

  基因敲除证实NoELO2的关键作用

为了反向验证NoELO2的功能，研究团队利用CRISPR-Cas12a技术构建了NoELO2敲除突变体（图5）。敲除株系表现出总脂肪酸含量和EPA含量的显著下降。有趣的是，在缺氮胁迫下，敲除株系虽然EPA总量减少，但TAG中EPA的比例却有所上升，暗示了脂质重塑机制的变化。回补株系在氮充足和缺氮条件下的表现与野生型相似，进一步验证了NoELO2在调节脂肪酸合成过程中的关键地位。

图5.NoELO2敲除株在氮充足（B-E）和氮缺乏（F-J）条件下的生长与脂质积累

总结：解除C16延伸瓶颈的代谢机制模型

本研究提出了一个全新的EPA合成调控模型：NoELO2作为一个关键的代谢“阀门”，控制着碳通量从C16池进入EPA合成途径。在野生型中，低丰度的NoELO2限制了C16向C18的转化，导致大量碳源滞留在C16脂肪酸中；而通过过表达NoELO2，成功解除了这一限速步骤，使得更多碳流顺畅地流向C18及后续的去饱和/延伸反应，最终实现EPA的高效积累（图6）。

图6.NoELO2促进EPA生物合成的机制模型

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