Genomic and transcriptomic analyses of the medicinal fungus Antrodia cinnamomea for its metabolite biosynthesis and sexual development
- 作者
- Mei- Yeh Jade Lu, Wen- Lang Fan, Woei- Fuh Wang, Tingchun Chen, Yi- Ching Tang, Fang- Hua Chu, Tun- Tschu Chang, Sheng- Yang Wang, Meng- yun Li, Yi- Hua Chen, Ze- Shiang Lin, Kai- Jung Yang, Shih- May Chen, Yu- Chuan Teng, Yan- Liang Lin, Jei- Fu Shaw, Ting- Fang Wang, Wen- Hsiung Li
- 单位
- Biodiversity Research Center, Academia Sinica, Taipei 11529, Taiwan; School of Forestry and Resource Conservation, National Taiwan University, Taipei 10617, Taiwan; Taiwan Forestry Research Institute, Taipei 10066, Taiwan; Department of Forestry, National Chung- Hsing University, Taichung 402, Taiwan; Agricultural Biotechnology Research Center, Academia Sinica, Taipei 11529, Taiwan; Agricultural Biotechnology Center, National Chung- Hsing University, Taichung 402, Taiwan; Department of Biological Science and Technology, I- Shou University, Kaohsiung 84001, Taiwan; Institute of Molecular Biology, Academia Sinica, Taipei 11529, Taiwan; Department of Ecology and Evolution, University of Chicago, Chicago, IL 60637
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences（2014）
- DOI
- 10.1073/pnas.1417570111
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
樟芝（Antrodia cinnamomea）基因组尚未测序，其药用代谢产物的生物合成途径及有性发育的分子机制不清楚。
研究策略
对樟芝单核菌株S27进行全基因组测序与组装，结合单核、双核菌丝及子实体的转录组测序，通过基因预测、功能注释、GO/KEGG通路分析和差异表达分析，系统鉴定与萜类、麦角甾烷、安卓奎诺尔、antrocanthin合成及性发育相关的基因。
核心内容
本研究对药用真菌樟芝（Antrodia cinnamomea）单核菌株S27进行了全基因组测序与组装，获得32.15 Mb的高质量基因组草图，含9254个蛋白编码基因，N50达1,034,879 bp。结合单核、双核菌丝及子实体的转录组测序，系统鉴定了萜类、麦角甾烷、安卓奎诺尔和antrocanthin等药用代谢产物生物合成途径的关键基因，共获得242个候选代谢相关蛋白，包括119个P450、24个单萜合酶、7个倍半萜环化酶和14个聚酮合酶。关键结果表明，CYP51F1（14-α-脱甲基酶）在双核菌丝和子实体中的表达量比单核菌丝高3至5倍，与麦角甾烷三萜合成相关；COQ基因家族在菌丝中表达高于子实体，与安卓奎诺尔在菌丝中含量更高一致；聚酮合酶III在子实体中高表达，与antrocanthin合成相符。此外，clp1基因在双核菌丝和子实体中的表达量较单核菌丝高至少10倍，提示其参与锁状联合和有性发育。该研究还鉴定了四极性交配系统及减数分裂相关基因，为利用代谢工程提高樟芝药用代谢产物产量奠定了分子基础。
创新点
首次获得樟芝高质量的基因组草图（32.15 Mb，含9254个基因）；鉴定出242个参与甲羟戊酸途径、萜类途径、细胞色素P450和聚酮合酶等代谢相关蛋白；发现樟芝可能具有四极性交配系统并鉴定了锁状联合和减数分裂关键基因；通过多组织转录组分析揭示了代谢通路基因的组织特异性表达模式。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Antrodia cinnamomea | 甲羟戊酸途径 | HMG-CoA synthase; mevalonate kinase | HMG-CoA synthase; mevalonate kinase | 催化 | 萜类生物合成上游核心关键酶，单拷贝基因 |
| Antrodia cinnamomea | 萜类骨架生物合成 | sesquiterpene cyclase; monoterpene synthase | sesquiterpene cyclase; monoterpene synthase | 催化 | 将异戊二烯前体转化为单萜和倍半萜，分别有7个和24个候选基因 |
| Antrodia cinnamomea | 三萜/麦角甾烷生物合成 | CYP51F1 (ACg002141) | 14-α-脱甲基酶 (14-alpha-demethylase) | 催化 | 催化羊毛甾烷脱甲基转化为麦角甾烷，在子实体中高表达3-5倍 |
| Antrodia cinnamomea | 泛醌/安卓奎诺尔生物合成 | COQ1-COQ9 (共11个基因) | COQ酶 (Coenzyme Q biosynthesis enzymes) | 催化 | 参与辅酶Q10和安卓奎诺尔生物合成，在菌丝中高表达，与菌丝中安卓奎诺尔含量更高一致 |
| Antrodia cinnamomea | 聚酮/聚乙炔生物合成 (antrocanthin/antrocamphin) | PKS genes (14个) | 聚酮合酶 (polyketide synthase) | 催化 | 含有4个I型PKS和10个小蛋白，参与聚乙炔和antrocanthin合成，其中PKS III在子实体中高表达 |
| Antrodia cinnamomea | 木质素降解 | ACLnP | 木质素过氧化物酶 (lignin peroxidase) | 催化 | 可能参与木材降解和蚁酸合成 |
| Antrodia cinnamomea | 木质素降解 | manganese peroxidase (MnP) | 锰过氧化物酶 | 催化 | 与木质素降解相关 |
| Antrodia cinnamomea | 有性发育/锁状联合 | pcc1 (ACg003357); clp1 (ACg005835) | Pcc1; Clp1 | 调控 | clp1在双核菌丝中表达量高于单核菌丝10倍以上，与dikaryon锁状联合形成相关 |
| Antrodia cinnamomea | 交配型决定 | HD locus (ACg001308-10, ACg001316); Mfa-like (ACg003186, ACg003200, ACg003207-8); Ste3-like (ACg003202-6, ACg003212) | 同源异型域转录因子; 信息素; 信息素受体 | 调控 | 显示四极性交配系统 |
| Antrodia cinnamomea | 减数分裂 | mer3 (ACg003801); msh4 (ACg005375); msh5 (ACg002475); zip4/spo22 (ACg005454) | Mer3; Msh4; Msh5; Zip4 | 催化 | 组成联会复合体，参与减数分裂重组 |
| Antrodia cinnamomea | 苯丙烷代谢 | ACg0004767 (CYP6001家族) | 乳过氧化物酶样P450 | 催化 | 可能参与phenylpropanoid代谢和antroquinonol合成 |
| Antrodia cinnamomea | 细胞色素P450异生物质/药物代谢 | CYP504 (10个); CYP5144 (6个); CYP512 | P450酶 | 催化 | 参与外源物解毒和次级代谢修饰 |
关键发现
- 基因组组装为32.15 Mb，包含9254个蛋白编码基因，N50为1,034,879 bp
- 重复序列占17.7%（约5.7 Mb）。在甲羟戊酸途径、萜类途径、细胞色素P450和聚酮合酶中鉴定出242个候选蛋白，其中包括119个P450、24个单萜合酶、7个倍半萜环化酶、14个PKS
- CYP51F1（14-α-脱甲基酶）在双核菌丝和子实体中表达量比单核菌丝高3-5倍，与麦角甾烷三萜合成相关
- COQ1-COQ9（共11个）在菌丝中表达高于子实体，与安卓奎诺尔在菌丝中含量更高一致
- 聚酮合酶III在子实体中高表达，与antrocanthin合成一致
- clp1基因在双核菌丝和子实体中表达量比单核菌丝高至少10倍。S27和S32菌株间存在98,930个SNP和7,715个INDEL。
研究结论
本研究为樟芝提供了全面的基因组和转录组资源，揭示了其药用代谢产物（萜类、麦角甾烷、安卓奎诺尔、聚乙炔等）生物合成关键酶及有性发育相关基因，鉴定了组织特异性表达的关键酶，为利用代谢工程提高樟芝有用代谢产物产量奠定了分子基础。