Fermentation of High Concentrations of Maltose by Saccharomyces cerevisiae Is Limited by the COMPASS Methylation Complex
- 作者
- Jens Houghton-Larsen, Anders Brandt
- 单位
- Carlsberg Laboratory, Gamle Carlsberg Vej 10, DK-2500 Copenhagen Valby, Denmark
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2006）
- DOI
- 10.1128/AEM.01704-06
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
高浓度麦芽糖发酵不彻底，发现COMPASS甲基化复合物通过端粒沉默在发酵后期抑制麦芽糖利用基因的表达，导致发酵效率低下。
研究策略
在酿酒酵母JT20149中分别敲除COMPASS复合物各亚基基因（SWD1、SWD3、SDC1、SET1、BRE2、SPP1），比较不同糖浓度下的发酵性能，测定麦芽糖摄取速率、麦芽糖酶活性、MAL12转录水平及组蛋白H3第4位赖氨酸甲基化状态。
核心内容
本研究以酿酒酵母JT20149为对象，考察COMPASS甲基化复合物在高浓度麦芽糖发酵中的调控作用。作者分别敲除COMPASS六个亚基基因（SWD1、SWD3、SDC1、SET1、BRE2、SPP1），比较不同糖浓度下的发酵性能，并测定了麦芽糖摄取速率、麦芽糖酶活性、MAL12转录水平及组蛋白H3K4甲基化状态。结果显示，各亚基缺失均显著提高22°P麦芽糖发酵的最终衰减度，乙醇产量较野生型（57 g/L）最多增加29%，swd1和swd3菌株达74 g/L，sdc1、bre2、set1为70 g/L，spp1为68 g/L；但对20%葡萄糖、20%蔗糖和16%麦芽糖发酵无影响。swd3菌株在发酵后期仍保有大量MAL12转录本，麦芽糖酶活性较野生型高2~3倍，麦芽糖摄取能力约高50%。在22.5°P全麦芽麦汁中，swd3菌株100%利用麦芽糖，而野生型仅利用81%。H3K4三甲基化在swd1、swd3、set1、bre2、sdc1突变株中完全消失，spp1菌株则减少。这表明COMPASS复合物通过H3K4甲基化在发酵后期抑制麦芽糖利用基因表达，从而限制高浓度麦芽糖发酵；破坏COMPASS功能可解除这种抑制，为提升高浓度麦芽糖发酵效率提供了新的改造靶点。
创新点
首次揭示COMPASS复合物对高浓度麦芽糖发酵的负调控作用；证明敲除COMPASS亚基可显著提高麦芽糖发酵的乙醇产量和麦芽糖利用率。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) JT20149 | 麦芽糖利用 | SWD1 | Swd1p | 调控 | COMPASS复合物核心亚基，缺失后22°P麦芽糖发酵乙醇产量达74 g/L |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) JT20149 | 麦芽糖利用 | SWD3 | Swd3p | 调控 | COMPASS复合物核心亚基，缺失后发酵后期MAL12转录和麦芽糖酶活性显著升高 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) JT20149 | 麦芽糖利用 | SDC1 | Sdc1p | 调控 | COMPASS复合物亚基，对三甲基化必需，缺失后发酵改善 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) JT20149 | 麦芽糖利用 | SET1 | Set1p | 调控 | COMPASS复合物催化亚基（组蛋白甲基转移酶），缺失后发酵改善 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) JT20149 | 麦芽糖利用 | BRE2 | Bre2p | 调控 | COMPASS复合物亚基，对三甲基化重要，缺失后发酵改善 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) JT20149 | 麦芽糖利用 | SPP1 | Spp1p | 调控 | COMPASS复合物亚基，缺失后三甲基化减少，发酵改善但效果最弱 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) JT20149 | 麦芽糖利用 | MAL12 | 麦芽糖酶 (maltase) | 催化 | 麦芽糖酶编码基因，swd3菌株发酵后期仍保持高转录水平 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) JT20149 | 麦芽糖利用 | MAL11 (MALx1) | 麦芽糖透性酶 (maltose permease) | 转运 | 麦芽糖转运蛋白，swd3菌株发酵后期麦芽糖摄取能力比野生型高约50% |
关键发现
- 缺失COMPASS各亚基（SWD1、SWD3、SDC1、SET1、BRE2、SPP1）后，22°P麦芽糖发酵的最终衰减度明显提高，乙醇产量较野生型最多增加29%（野生型57 g/L，swd1和swd3为74 g/L，sdc1、bre2、set1为70 g/L，spp1为68 g/L）
- 对20%葡萄糖、20%蔗糖和16%麦芽糖发酵无影响。swd3菌株在发酵后期（216 h）仍含大量MAL12转录本，麦芽糖酶活性较野生型高2~3倍，麦芽糖摄取能力约高50%。在22.5°P全麦芽啤酒麦汁中，swd3菌株100%利用麦芽糖，而野生型仅利用81%。H3K4三甲基化在swd1、swd3、set1、bre2、sdc1突变株中完全消失，spp1菌株的三甲基化减少。
研究结论
COMPASS复合物通过组蛋白H3第4位赖氨酸甲基化在发酵后期抑制麦芽糖利用基因的表达，从而限制高浓度麦芽糖的发酵；破坏COMPASS功能可解除这种抑制，提高麦芽糖发酵效率。