The transcription factor Ace2 and its paralog Swi5 regulate ethanol production during static fermentation through their targets Cts1 and Rps4a in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Yao Wu, Jie Du, Guoqiang Xu, Linghuo Jiang
- 单位
- The Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China; The National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
- 杂志
- FEMS Yeast Research（2017）
- DOI
- 10.1093/femsyr/fow022
- 所属领域
- 代谢工程 / 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
酿酒酵母乙醇发酵过程中基因表达调控网络尚未充分解析，特别是非必需转录因子在乙醇产量调控中的作用不明确。
研究策略
利用静态发酵模型，筛选77个非必需转录因子缺失突变体的乙醇产量，鉴定负调控因子ACE2和SWI5；通过过表达ACE2/SWI5及其靶基因CTS1/RPS4a，以及双突变/过表达组合实验验证其功能与上下游关系。
核心内容
该研究以酿酒酵母BY4743为材料，通过静态发酵模型筛选了77个非必需转录因子缺失突变体，鉴定出Ace2及其旁系同源物Swi5为乙醇产量的负调控因子。研究发现，ace2/ace2和swi5/swi5突变体的乙醇产量显著高于野生型，而过表达ACE2使野生型乙醇产量降低40%，过表达SWI5在32小时和52小时分别降低90%和83%。进一步实验证实，过表达下游靶基因CTS1可降低乙醇产量32%和24%，过表达RPS4a则降低29%和24%。在ace2/ace2和swi5/swi5背景中过表达CTS1可完全恢复乙醇产量至野生型水平，而过表达RPS4a仅能部分恢复，表明Cts1和Rps4a是介导Ace2和Swi5调控乙醇生产的主要效应因子。此外，ace2/ace2突变体在10%乙醇平板上表现出最高耐受性，沉降半衰期为20分钟。该研究首次揭示了细胞周期相关转录因子通过下游靶基因调控静态发酵乙醇产量的机制，为通过敲除ACE2、SWI5、CTS1或RPS4a等基因改造工业酵母菌株、提高乙醇产量提供了新的代谢工程靶点。
创新点
首次报道细胞周期调控转录因子Ace2及其旁系同源物Swi5负调控静态发酵中的乙醇产量；发现并验证Cts1和Rps4a是介导Ace2和Swi5调控乙醇生产的主要效应因子；为通过转录因子工程或靶基因改造提高工业酵母乙醇产量提供了新靶点。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 乙醇发酵 | ACE2 | Ace2 | 调控 | 转录因子，负调控乙醇产量，缺失突变体乙醇产量显著升高 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 乙醇发酵 | SWI5 | Swi5 | 调控 | Ace2的旁系同源转录因子，负调控乙醇产量，缺失突变体乙醇产量显著升高 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 细胞分离/几丁质降解 | CTS1 | Cts1 | 催化 | 内切几丁质酶，Ace2/Swi5靶基因，缺失增加乙醇产量，过表达降低乙醇产量，并抑制ace2/swi5突变体的乙醇产量上升 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 蛋白质合成 | RPS4A | Rps4a | 催化 | 核糖体蛋白S4a，Ace2/Swi5靶基因，缺失增加乙醇产量，过表达降低乙醇产量，部分抑制ace2/swi5突变体的乙醇产量上升 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 细胞周期调控 | SIC1 | Sic1 | 调控 | Cdc28-Clb激酶抑制剂，Ace2/Swi5靶基因，缺失导致乙醇产量升高 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 细胞分离 | EGT2 | Egt2 | 催化 | 内切-1,3-β-葡聚糖酶，Ace2靶基因，缺失导致乙醇产量升高 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 细胞分离 | DSE2 | Dse2 | 催化 | 细胞分离相关蛋白，Ace2/Swi5靶基因，缺失导致乙醇产量升高 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 蛋白质翻译/信号转导 | SCP160 | Scp160 | 调控 | RNA结合蛋白，与Gpa1偶联，Ace2靶基因，缺失导致乙醇产量升高 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 氧化还原代谢 | MCR1 | Mcr1 | 催化 | NADH-细胞色素b5还原酶，缺失显著降低乙醇产量 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | DNA重组/交配型转换 | HO | Ho | 催化 | HO内切核酸酶，Swi5靶基因，缺失降低乙醇产量 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 甘油合成 | GPD1 | Gpd1 | 催化 | NAD依赖性甘油-3-磷酸脱氢酶，作为发酵模型验证的对照，缺失提高乙醇产量 |
关键发现
- 从77个转录因子缺失突变体中筛出ace2/ace2和swi5/swi5突变体的乙醇产量显著升高（比WT高）
- 过表达ACE2使WT乙醇产量降低40%（32h和52h），过表达SWI5降低90%（32h）和83%（52h）
- 过表达CTS1降低32%和24%，过表达RPS4a降低29%和24%
- 在ace2/ace2和swi5/swi5中过表达CTS1完全抑制乙醇产量增加（恢复至WT水平），过表达RPS4a部分抑制
- 靶基因缺失筛选中，cts1/cts1、rps4a/rps4a、sic1/sic1、egt2/egt2、dse2/dse2、scp160/scp160突变体乙醇产量升高，其中cts1/cts1和rps4a/rps4a效果最显著
- mcr1/mcr1和ho/ho突变体乙醇产量显著降低
- ace2/ace2突变体在10%乙醇平板上表现出最高乙醇耐受性，其细胞沉降半衰期为20分钟。
研究结论
Ace2和Swi5是静态发酵中乙醇产量的负调控因子，Cts1和Rps4a是其下游主要效应因子；敲除ACE2、SWI5、CTS1或RPS4a可提高乙醇产量，为工业酵母菌株的代谢工程改造提供了潜在靶点。