糖酵解酶在線粒體和葉綠體共定位中的微妙作用（2020.9.11Plant Biotechnology Journal）

糖酵解是代謝的原始途徑之一，在能量代謝和生物合成中起著舉足輕重的作用。眾所周知，糖酵解酶可形成短暫的多酶組合。近日，德國馬克斯普朗克研究所植物系統(tǒng)生物學(xué)和生物技術(shù)中心Alisdair R.Fernie團(tuán)隊在Nature Communications雜志上在線發(fā)表了題為“A moonlighting role for enzymes of glycolysis in the co-localization of mitochondria and chloroplasts”的文章。本文結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生化證據(jù)來研究植物糖酵解酶的組裝，探索了植物糖酵解酶更廣泛的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，揭示了特定的糖酵解酶在介導(dǎo)線粒體和葉綠體共定位中的作用。

糖酵解是呼吸的標(biāo)志性途徑之一，為多種代謝物的生物合成提供碳骨架，也是能量轉(zhuǎn)換的核心。糖酵解酶在許多物種中都能形成多酶復(fù)合物，但這些組合體的功能尚不清楚。對酵母、血細(xì)胞和植物的研究表明，糖酵解酶在細(xì)胞膜上的ATP被快速消耗的區(qū)域共定位，這表明這種酶的組合起著調(diào)節(jié)作用。利用熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）和活體細(xì)胞漂白后的熒光恢復(fù)來跟蹤糖酵解酶組合，證明糖酵解途徑的前四種酶各自獨立地遵循其特定的底物梯度，這為了解酶復(fù)合物組裝的潛在機制提供了重要的見解。在植物中，已證明糖酵解酶與線粒體存在相關(guān)性。進(jìn)一步的重要實驗結(jié)果表明，與同位素標(biāo)記的葡萄糖共同提供時，線粒體相關(guān)的酶能夠維持呼吸通量，酶與線粒體的關(guān)聯(lián)是動態(tài)的并且取決于細(xì)胞的呼吸需求。線粒體和葉綠體外膜之間的直接相互作用已經(jīng)得以證實，膜微區(qū)對于細(xì)胞器運輸、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞器束縛可能也很重要，并且據(jù)推測，細(xì)胞器之間的代謝物交換可能受這些微區(qū)的調(diào)節(jié)，但尚不清楚如何實現(xiàn)或調(diào)節(jié)植物細(xì)胞器的空間共定位。

該研究團(tuán)隊利用分子和細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)來研究胞質(zhì)定位的糖酵解酶互作關(guān)系。葉綠體和線粒體之間共定位結(jié)果表明蛋白質(zhì)復(fù)合物在葉綠體外膜和線粒體之間形成了一種體內(nèi)連接，磷酸甘油酸變位酶（PGAM）、烯醇化酶和丙酮酸激酶之間有較強的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互作關(guān)系。利用這些酶的突變體首次深入了解了這種復(fù)合物的生理作用，據(jù)報道在野生型植物中線粒體以一種動態(tài)的方式與葉綠體相互作用，為弄清這種相互作用是否會在enolase突變體和pgam突變體中受到干擾，作者通過表達(dá)靶向線粒體的綠色熒光蛋白（GFP）來檢測線粒體和葉綠體的互作關(guān)系，發(fā)現(xiàn)磷酸甘油酸變位酶或烯醇化酶的敲除突變會導(dǎo)致兩個細(xì)胞器的互作程度顯著降低，明確了這些酶在葉綠體和線粒體共定位中新的微妙作用，與它們的催化活性無關(guān)。