全 文 ：第24卷 第1期
2012年1月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 24, No. 1
Jan., 2012
文章编号：1004-0374(2012)01-0058-05
多不饱和脂肪酸对微生物低温适应性的影响
张　琦，王　志，何仕武，季秀玲，林连兵，魏云林*
(昆明理工大学生命科学与技术学院生物工程技术研究中心，昆明 650224)
摘　要：地球生物圈 75%以上的环境温度常年低于 5 ℃，在这种低温环境中栖息着多种适应低温的微生物。
在长期进化过程中低温微生物从细胞到分子水平形成一套独特的低温环境适应机制，而通过增加细胞膜膜
脂中多不饱和脂肪酸含量来维持低温条件下最佳的细胞膜流动性是其中的一种。从多不饱和脂肪酸对微生
物低温生长、细胞膜流动性细胞膜蛋白的组成和表达水平的影响来探讨多不饱和脂肪酸与微生物低温适应
性的关系，总结多不饱和脂肪酸低温合成调节机制的研究进展，为相关的基础和应用开发研究提供参考。
关键词：多不饱和脂肪酸；低温适应性；膜流动性；膜蛋白；调节机制
中图分类号：Q936 文献标志码：A
Effects of polyunsaturated fatty acids on the cold adaptation of microoganisms
ZHANG Qi, WANG Zhi, HE Shi-Wu, JI Xiu-Ling, LIN Lian-Bing, WEI Yun-Lin*
(Biotechnology Research Center, School of Life Science and Technology, Kunming University
of Science and Technology, Kunming 650224, China)
Abstract: Over 75% of the Earth’s biosphere experiences temperatures of less than 5 ℃ throughout the year, where
various low-temperature adapted microorganisms inhabit. Due to long-term natural selection, these microorganisms
have evolved some adaptive mechanisms at cellular and molecular levels to adapt to their living environments. One
of the mechanisms is to increase polyunsaturated fatty acid content of membrane lipids to maintain optimum
membrane fluidity at low temperatures. Based on the effects of polyunsaturated fatty acid biosynthesis on microbial
growth, the membrane fluidity and composition and expression levels of membrane proteins, this paper discusses
the contribution of polyunsaturated fatty acids to the cold adaptation of microorganisms and summarize the research
progress in the regulatory mechanisms of polyunsaturated fatty acid biosynthesis at low temperatures, providing a
reference for relevant fundamental and application research in this field.
Key words: plyunsaturated fatty acids; cold adaptation; membrane proteins; microorganisms; regulatory
mechanisms
收稿日期：2011-08-08； 修回日期：2011-11-08
基金项目：国家自然科学基金项目(30960079, 311600-
16)；云南省应用基础研究基金项目(KKSA201126005)
*通信作者：E-mail: homework18@126.com；Tel:
0871-5920148
地球生物圈75%以上的环境温度常年低于5 ℃，
包括极地、深海和高山等环境，在这些环境中栖息
着大量的微生物。据估计，地球上约 60%~ 90%的
微生物生活在低温海洋环境中，其微生物物种多样
性和遗传多样性高，而且营养类型也多样 [1]。低温
必然对这些生境中微生物的生命过程产生最根本的
影响，可通过多种途径影响细胞功能，比如营养吸
收、基因表达、代谢活性、能量产生和细胞生长等 [2]。
然而，作为这些生境的主要生物类群，包括嗜冷微
生物和适冷微生物的低温微生物会产生一些相应的
低温适应机制，将环境所造成的影响减小到最低程
度。近期的研究结果揭示，低温环境中的微生物形
成了一些机制来适应低温，如提高细胞内液态水的
黏度，降低酶的活性，合成一些低温酶来维持细胞
张　琦，等：多不饱和脂肪酸对微生物低温适应性的影响第1期 59
基本的代谢活动，抑制 DNA和 RNA异常结构的形
成，以及调节细胞膜膜脂的组成来维持膜的流动性
等 [2-3]。
多不饱和脂肪酸 (polyunsaturated fatty acids, PU-
FAs)是指含有两个或两个以上双键、碳原子数为
18~22的直链脂肪酸，可以分为 n-6和 n-3两大系列。
PUFAs广泛存在于各种生物中，但在不同物种中的
组成和含量有所区别。一系列的研究表明，PUFAs
具有调节膜相关的生理过程、抗肿瘤抗炎、促进细
胞生长、防止心脑血管疾病、有利于大脑视网膜形
成、免疫调节和基因表达等很多重要的生理调节功
能 [4-6]，因此成为有价值的产品，促进了人们对
PUFAs的需求。许多研究表明，作为细胞膜膜脂的
重要组成成分，PUFAs对细胞膜结构、流动性、相
转变、信号转导、物质运输、离子交换、能量传递
以及酶活性大小等方面起着重要的调节作用 [7-8]。
1　微生物多不饱和脂肪酸的生物合成
为了适应不同的生境，不同生物衍生出不同的
PUFAs生物合成机制，在包括微生物在内的低等真
核生物中，PUFAs的合成是从 18碳的饱和脂肪酸 -
硬脂酸 (stearic acid, STA, C18:0)开始的。硬脂酸在
不同脂肪酸脱氢酶 (fatty acid desaturease)和延长酶
(elongase)交替催化下，通过脂肪链的脱氢和延长
反应合成花生四烯酸 (arachidonic acid, AA, C20:4n-3)、
二十碳五烯酸 (eicosapentaenoic acid, EPA, C20:5n-3)
和二十二碳六烯酸 (docosahexaenoic acid, DHA, C22:
6n-3)等长链多不饱和脂肪酸，而亚油酸 LA (linoleic
acid, C18:2n-6)是n-6和n-3系列PUFAs的共同前体，
因此，Δ12-脂肪酸脱氢酶催化油酸 (oleic acid, OA,
C18:1n-3)合成 LA是低等真核生物中 PUFAs合成
的关键步骤 (图 1)[9]。一些深海细菌中同样具有
PUFAs (主要是 EPA和 DHA，而不是动物、植物、
真菌和蓝细菌中常见的 C18的 PUFAs)，但其合成
过程中不涉及重要的脂肪酸脱氢和延长机制，而是
由一种类似于聚酮合酶 (polyketide synthase, PKS)
的酶系催化合成，这种合成不涉及有氧脱氢机制 [10]。
有意思的是，一些低等真核生物中利用 PKS系统
合成 DHA (图 1)[9]，而某些蓝细菌中却存在和真核
生物相同的 PUFAs合成途径，但这些蓝细菌中只
产生 18碳的 PUFAs，不涉及碳链的延伸，这可能
和蓝细菌的结构和膜脂组成与植物相似有关 [11]。本
实验室在内的很多研究已经表明，低温条件下
PUFAs的合成增加，提高了微生物的低温适应性。
图1 低等真核生物多不饱和脂肪酸的生物合成
生命科学 第24卷60
2　多不饱和脂肪酸对微生物低温生长的影响
Wada等 [12]通过点突变的方法，使蓝细菌 (Syne-
chocystis PCC 6803)Δ12-脂肪酸脱氢酶失活，导致细
胞膜上 PUFAs的合成受到抑制，改变了细胞膜磷
脂组成，使细胞在 22 ℃培养时生长明显减慢。他
们进一步把蓝细菌的 Δ12-脂肪酸脱氢酶基因 desA
导入寒敏感的蓝细菌 Anacystis nidulans中进行表
达，结果 A. nidulans 中 LA含量明显增加，对 5 ℃
低温的抗性明显增强 [13]。Weinstein等 [14]研究表明，
低温培养提高一些真菌菌株细胞膜中 PUFAs的含
量，而且在长孢被孢霉 (Mortierella elongata)中还
产生了新的十八碳四烯酸 (steridonic acid, SDA, C18:
4n-3)，这种脂肪酸主要存在于寒冷地带的植物以及
南极和其他寒冷海洋环境的微生物中。陆合等 [15]
的研究表明，15 ℃培养根霉 (Rhizopus sp.) R31.6，
细胞膜膜脂中 PUFAs，特别是 γ-亚麻酸 (γ-linolenic
acid, GLA, C18-3n-6)的含量明显提高。本实验室前
期的工作也表明，产油丝状真菌深黄被孢霉 (Morti-
erella isabellina)的细胞膜中 PUFAs的含量，随着
培养温度降低而增加；通过 RNAi方法抑制菌株
PUFAs的合成，导致菌株在低温条件下 (15 ℃ )生
长明显减慢。这些研究表明，增加细胞膜中 PUFAs
的合成有助于提高菌株的低温生长适应能力，推测
PUFAs在低温条件下能调节细胞膜的流动性或膜相
活动，对维持细胞膜的正常功能以及细胞的低温生
长起到重要的作用。
3　多不饱和脂肪酸对细胞膜低温流动性的影响
细胞膜流动性指的是构成细胞膜的脂类和蛋白
质分子的运动性，是细胞膜的基本特性之一。细胞
膜是生物体细胞与外部环境之间的界膜，其流动性
是细胞膜功能和细胞生存所必需的，特别是对于细
菌、真菌、原生生物、植物和鱼类等一些变温生物
来说，调节细胞膜的流动性显得特别重要 [16-17]。细
胞膜主要由脂类和蛋白质组成，膜结构具有液态镶
嵌模型，膜脂成分变化会影响细胞膜的流动性，而
且这种影响与膜脂中脂肪酸种类和组成有关，比如
脂肪酸链的长度、脂肪酸的结构、顺式和反式脂肪
酸比例和脂肪酸饱和度等 [16]。膜流动性的一个基本
的生物物理学关键因素就是膜脂中饱和与不饱和脂
肪酸的平衡，低温条件下多数微生物细胞通过改变
细胞膜脂中脂肪酸组成来维持细胞膜的流动性。
最常见的是通过提高细胞膜中脂肪酸脱氢酶对膜
脂中脂肪酸底物的催化作用，在膜脂的脂肪酸链
中引入新的双键，提高脂肪酸的不饱和度，从而
降低脂质双分子层中饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸
的比例，使膜脂的熔点降低，导致细胞膜的流动
性提高，但在温度高的条件下则相反。这种通过
改变膜脂中饱和与不饱和脂肪酸比例来维持正常
细胞膜流动性的适应现象称为“恒黏适应性”
(homeoviscous adaptation)[18-19]。很多研究表明，在
一定碳链长度和双键数量范围内，增加膜脂中脂肪
链上双键的数目和 PUFAs含量，对维持细胞膜在
低温条件下细胞膜的流动性更加有利 [16,20]。
4　多不饱和脂肪酸对细胞膜膜蛋白的影响
作为细胞膜的另一主要组成成分，细胞膜膜蛋
白在物质运输、信号转导、细胞识别和免疫等方面
具有重要功能，而且膜蛋白与膜脂的相互作用对细
胞膜的结构和功能具有重要的调节作用。细胞膜膜
脂组成变化速率与膜蛋白对环境温度的感应程度有
关 [21]，而且细胞膜中不同区域膜蛋白的组成、表达
水平、结构和功能与膜脂中 PUFAs的组成和分布
有关，影响细胞对低温环境的适应性 [3,16]。膜蛋白
与膜脂的相互作用有助于脂质双分子层的稳定，而
且这种相互作用受细胞膜的流动性和脂肪酸组成
等因素影响 [3]。Kawamoto等 [22]通过同源重组的
方法构建海洋细菌 Shewanella livingstonensis Ac10
的 EPA缺失突变株，进一步对缺失突变株的研究结
果表明，EPA缺乏导致菌株低温生长明显延迟，同
时引起一些与信号转导、跨膜运输以及维持低温条
件下膜结构和功能等相关的一些膜蛋白表达水平的
提高和降低，而且抑制菌株部分膜蛋白的表达明显
影响菌株低温生长。此外，S. livingstonensis Ac10
膜脂中缺乏 EPA可能还影响一些膜蛋白的折叠、低
温稳定性、横向分布和寡聚化。
5　多不饱和脂肪酸合成的低温调节机制
细胞感受外界温度下降的信号并将此信号向胞
内传递然后激活相关基因的表达来增加膜脂中
PUFAs的含量以适应低温环境，有关这方面的机制
研究已引起研究者的极大兴趣。由于细菌的遗传机
制相对简单，因此，在这方面的研究首先取得一些进
展。Suzuki等 [23-24]的研究表明，蓝细菌 (Synechocystis
PCC 6803)中存在一个由膜整合的感受蛋白激酶和
胞质中反应调节蛋白组成的双组分信号转导系统
(two-component signal transduction system)-Hik33/
张　琦，等：多不饱和脂肪酸对微生物低温适应性的影响第1期 61
Rer1系统来调节 Δ15-脂肪酸脱氢酶 (desB)基因的
表达 (图 2)，提高膜脂中的 α-亚麻酸 (α-linolenic
acid, ALA, C18-3n-3)含量，提高菌株低温环境的适
应性。感受蛋白激酶 Hik33由几个跨膜结构域、一
个 N端信号识别结构域和一个 C端激酶功能域组
成。在 ATP存在时，细菌中细胞膜流动性的降低可
作为感觉低温的初级信号激活感受蛋白激酶 Hik33，
并将其自动磷酸化而激活，激活后的 Hik33进一步
将磷酸基团通过 Hik19传递给反应调节蛋白 Rer1，
进一步使 Rer1磷酸化，后者作为转录调节因子直
接参与 Δ15-脂肪酸脱氢酶基因的表达，提高了 ALA
的含量。因此，Hik33和 Hik19也称为温度感应器。
然而，进一步的研究发现，Hik33/Rer1系统还与
一些基因的低温诱导表达有关，但对其他脂肪酸脱
氢酶基因调节并不明显，这可能与其他脂肪酸脱氢
酶基因调节存在不同的温度感应器和调节系统有
关 [24-25]。类似的调节系统还有枯草芽胞杆菌 DesK-
DesR系统 [26]和大肠杆菌 CpxA-CpxR系统 [27]，只
不过这些系统激活的脂肪酸脱氢酶只利用饱和脂肪
酸作为底物引入一个双键。
双组分信号转导系统广泛存在于原核和真核生
物中，对双组分信号系统的研究已经初步阐明低温
条件下蓝细菌中 PUFAs的合成受其调节，但仍不
清楚其他产 PUFAs的细菌和真核生物，特别是低
等真核生物是否也通过类似的信号转导系统来响应
外界温度变化并调节膜脂中脂肪酸组成。
6　总结和展望
包括微生物在内的生物体对低温刺激的应答和
适应过程极为复杂，涉及细胞结构和组成的变化以
及在分子水平形成多种适应机制等。从上述的分析
中可以看出，作为细胞膜膜脂的重要组成成分，
PUFAs通过影响微生物生长、细胞膜流动性及细胞
膜蛋白的组成和表达水平等对微生物适应低温环境
具有重要的功能。PUFAs与微生物低温适应机制的
关系研究也逐步成为热点，但总体上进展缓慢，目
前只在少数几种细菌中证实双组分信号系统在细菌
感应低温刺激并通过多级反应向内传递信号，最终
引起细胞膜膜脂中 PUFAs的变化，提高了菌株对
低温环境的适应性。然而，这些细菌中相应低温刺
激并引起 PUFAs合成变化的双组分信号系统中的
分子组成不同，也不清楚是否存在多个双组分信号
系统之间的相互调节作用，因此，难以确定信号转
导过程中的关键步骤，而且目前也没有报道揭示细
胞膜上感应蛋白如何感知膜流动性变化以及反应调
节蛋白诱导基因表达的具体调节过程。此外，对具
有低温适应性的真核微生物来说，是否存在类似的
调节系统及其调节机制如何，目前这方面的研究也
未见报道。随着分子生物学研究的发展，利用反向
遗传学技术并结合基因组学、转录组学和蛋白质组
学的研究方法将有助于解决这些问题，最终揭示低
温环境条件下 PUFAs合成的调节机制及其与微生
物低温适应性的关系。微生物是自然界中 PUFAs
的主要生产者，因此，了解 PUFAs合成的调节机
制有助于利用相关的调节过程，为进一步的研究和
工业化应用奠定基础。
[参　考　文　献]
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