Abolishing storage lipids induces protein misfolding and stress responses in Yarrowia lipolytica
- 作者
- Simone Zaghen, Oliver Konzock, Jing Fu, Eduard J. Kerkhoven
- 单位
- Division of Systems and Synthetic Biology, Department of Life Sciences, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden; SciLifeLab, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden; Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology（2023）
- DOI
- 10.1093/jimb/kuad031
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明删除储藏脂质合成基因（DGA1、DGA2、LRO1和ARE1）对解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）细胞生理和调控的影响
研究策略
通过碳限制（C/N=3）和氮限制（C/N=116）下的恒化培养，结合转录组分析（RNA-seq）、脂质组学分析（FAME和固相萃取）和生长表型分析，比较野生型（OKYL029）与Q4菌株（JFYL007）的差异
核心内容
该研究在解脂耶氏酵母中敲除了四个储藏脂质合成基因（DGA1、DGA2、LRO1和ARE1），构建了Q4菌株，并通过碳限制和氮限制恒化培养结合转录组、脂质组学分析，系统比较了其与野生型的生理差异。结果显示，氮限制下Q4菌株细胞干重和脂质含量分别较野生型降低33%和32%，游离脂肪酸比例升至15%，约为野生型的3倍，磷脂成为主要脂类。转录组分析在氮限制下检出953个差异表达基因，功能富集显示蛋白折叠、未折叠蛋白反应和泛素依赖性降解等途径显著上调，表明脂滴缺失引发蛋白错误折叠和蛋白质稳态失衡。外源脂肪酸实验进一步提示Q4对不饱和脂肪酸敏感但耐受性仍高于酿酒酵母。该研究首次揭示彻底阻断储藏脂质合成会通过游离脂肪酸积累和未折叠蛋白反应损害细胞稳健性，建议代谢工程中应适度调控而非完全消除脂质合成，为优化解脂耶氏酵母底盘菌株提供了重要理论依据。
创新点
首次揭示了消除储藏脂质合成导致蛋白错误折叠和未折叠蛋白反应（UPR）上调，以及游离脂肪酸积累引发的脂毒性，为改进Yarrowia lipolytica底盘菌株提供了新见解
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Yarrowia lipolytica (Q4/JFYL007) | 三酰甘油合成 | DGA1 | DGA1p (acyl-CoA:diacylglycerol acyltransferase) | 催化 | 催化二酰甘油转化为三酰甘油的最后一步，Q4菌株中缺失 |
| Yarrowia lipolytica (Q4/JFYL007) | 三酰甘油合成 | DGA2 | DGA2p (acyl-CoA:diacylglycerol acyltransferase) | 催化 | 催化二酰甘油转化为三酰甘油，也影响脂滴大小和形态，Q4菌株中缺失 |
| Yarrowia lipolytica (Q4/JFYL007) | 三酰甘油合成 | LRO1 | LRO1p (phospholipid:diacylglycerol acyltransferase) | 催化 | 不依赖酰基-CoA的TAG合成酶，以磷脂为酰基供体，Q4菌株中缺失 |
| Yarrowia lipolytica (Q4/JFYL007) | 甾醇酯合成 | ARE1 | ARE1p (sterol acyltransferase) | 催化 | 负责甾醇酯化，缺失完全消除甾醇酯合成，Q4菌株中缺失 |
| Yarrowia lipolytica (OKYL029和Q4) | 形态发生调控 | MHY1 | Mhy1p (转录因子) | 调控 | 缺失可消除菌丝形成，两个菌株中均缺失以避免形态变化干扰 |
关键发现
- ['氮限制下，Q4菌株的细胞干重（CDW）和脂质含量分别比野生型降低33%和32%，脂质产量降低37%
- 生物量产量为0.44 gDCW/g葡萄糖（野生型0.48），葡萄糖摄取率相近（0.23 vs 0.22 g/gDCW/h）', '氮限制下Q4菌株的游离脂肪酸（FFA）比例达15%，约为野生型（4%）的3倍
- 中性脂（NL）比例仅15-16%，磷脂（PL）为主要脂类（约70%）', '碳限制下仅检出30个差异表达基因，氮限制下检出953个差异表达基因
- 基因集分析显示蛋白折叠、蛋白重折叠、未折叠蛋白响应、泛素依赖性蛋白降解等GO术语富集', '外源脂肪酸补充实验中，Q4菌株对不饱和脂肪酸更敏感，但在8 mM不饱和脂肪酸下仍能生长
- 相比之下，酿酒酵母在0.5 mM时即受抑制']
研究结论
删除DGA1、DGA2、LRO1和ARE1基因阻断了三酰甘油和甾醇酯的积累，导致脂质类分布改变、游离脂肪酸积累和脂滴缺失，进而引发蛋白错误折叠和未折叠蛋白反应（UPR）上调，影响细胞生理和蛋白质稳态。这提示在代谢工程中应适度调控而非完全消除脂质合成，以维持细胞稳健性。