糖酵解酶在线粒体和叶绿体共定位中的微妙作用（2020.9.11Plant Biotechnology Journal）

糖酵解是代谢的原始途径之一，在能量代谢和生物合成中起着举足轻重的作用。众所周知，糖酵解酶可形成短暂的多酶组合。近日，德国马克斯普朗克研究所植物系统生物学和生物技术中心Alisdair R.Fernie团队在Nature Communications杂志上在线发表了题为“A moonlighting role for enzymes of glycolysis in the co-localization of mitochondria and chloroplasts”的文章。本文結合现代分子生物学、细胞生物学和生化证据来研究植物糖酵解酶的组装，探索了植物糖酵解酶更广泛的蛋白质-蛋白质相互作用，揭示了特定的糖酵解酶在介导线粒体和叶绿体共定位中的作用。

糖酵解是呼吸的标志性途径之一，为多种代谢物的生物合成提供碳骨架，也是能量转换的核心。糖酵解酶在许多物种中都能形成多酶复合物，但这些组合体的功能尚不清楚。对酵母、血细胞和植物的研究表明，糖酵解酶在细胞膜上的ATP被快速消耗的区域共定位，这表明这种酶的组合起着调节作用。利用荧光共振能量转移（FRET）和活体细胞漂白后的荧光恢复来跟踪糖酵解酶组合，证明糖酵解途径的前四种酶各自独立地遵循其特定的底物梯度，这为了解酶复合物组装的潜在机制提供了重要的见解。在植物中，已证明糖酵解酶与线粒体存在相关性。进一步的重要实验结果表明，与同位素标记的葡萄糖共同提供时，线粒体相关的酶能够维持呼吸通量，酶与线粒体的关联是动态的并且取决于细胞的呼吸需求。线粒体和叶绿体外膜之间的直接相互作用已经得以证实，膜微区对于细胞器运输、细胞信号转导和细胞器束缚可能也很重要，并且据推测，细胞器之间的代谢物交换可能受这些微区的调节，但尚不清楚如何实现或调节植物细胞器的空间共定位。

该研究团队利用分子和细胞生物学技术来研究胞质定位的糖酵解酶互作关系。叶绿体和线粒体之间共定位结果表明蛋白质复合物在叶绿体外膜和线粒体之间形成了一种体内连接，磷酸甘油酸变位酶（PGAM）、烯醇化酶和丙酮酸激酶之间有较强的蛋白质-蛋白质互作关系。利用这些酶的突变体首次深入了解了这种复合物的生理作用，据报道在野生型植物中线粒体以一种动态的方式与叶绿体相互作用，为弄清这种相互作用是否会在enolase突变体和pgam突变体中受到干扰，作者通过表达靶向线粒体的绿色荧光蛋白（GFP）来检测线粒体和叶绿体的互作关系，发现磷酸甘油酸变位酶或烯醇化酶的敲除突变会导致两个细胞器的互作程度显著降低，明确了这些酶在叶绿体和线粒体共定位中新的微妙作用，与它们的催化活性无关。