The bHLH-zip transcription factor SREBP regulates triterpenoid and lipid metabolisms in the medicinal fungus Ganoderma lingzhi
- 作者
- Yong-Nan Liu, Feng-Yuan Wu, Ren-Yuan Tian, Yi-Xin Shi, Zi-Qi Xu, Ji-Ye Liu, Jia Huang, Fei-Fei Xue, Bi-Yang Liu, Gao-Qiang Liu
- 杂志
- Communications Biology（2023）
- DOI
- 10.1038/s42003-022-04154-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
灵芝属药用真菌中直接调控灵芝酸（三萜类）生物合成基因表达的转录因子尚不清楚，缺乏高质量的基因组注释信息也限制了转录因子调控机制的研究。
研究策略
对灵芝（Ganoderma lingzhi）进行de novo基因组测序与组装；利用DNA亲和纯化测序（DAP-seq）全基因组鉴定SREBP结合位点和靶基因；通过凝胶迁移实验（EMSA）验证结合；构建SREBP过表达菌株，结合RNA-seq、靶向次级代谢组学和脂质代谢组学分析，并用fatostatin（SREBP抑制剂）验证调控效应。
核心内容
该研究通过对药用真菌灵芝进行高质量的基因组de novo测序与组装，获得总长49.15 Mb、N50为2.33 Mb的基因组序列，并在此基础上系统解析了bHLH-zip转录因子SREBP对三萜类（灵芝酸）和脂质代谢的全局调控作用。利用DAP-seq技术全基因组鉴定了2271个SREBP结合位点，其中75.9%分布于转录起始位点2 kb以内，结合EMSA验证了核心结合基序5′-GRVGRVGRVGR-3′。构建SREBP过表达菌株后，RNA-seq显示甲羟戊酸途径、麦角固醇合成及甘油磷脂代谢等通路的10个靶基因表达上调3.9至22.6倍；代谢组学检测到总灵芝酸、麦角固醇、羊毛固醇和灵芝酸C2含量分别提高约1.87、1.84、1.89和2.75倍。添加SREBP抑制剂fatostatin后，相关基因表达和代谢物含量恢复至野生型水平，进一步证实了SREBP的直接调控作用。该研究首次揭示了SREBP作为灵芝三萜和脂质代谢核心调控因子的分子机制，为灵芝药用活性成分的遗传改良提供了重要靶点和基因组资源。
创新点
['首次完成了灵芝（G. lingzhi）的高质量基因组de novo测序与组装，为后续研究提供了基因组资源', '首次揭示bHLH-zip转录因子SREBP直接调控灵芝酸（三萜类）生物合成', "鉴定出灵芝SREBP的最佳结合基序5'-GRVGRVGRVGR-3'，为研究SREBP靶基因提供了新参考", '构建SREBP过表达菌株，显著提高灵芝酸、麦角固醇及脂质含量，为灵芝遗传改良提供新策略']
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 甲羟戊酸途径（MVA） | g3941 | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | SREBP直接靶基因，过表达SREBP后显著上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 甲羟戊酸途径（MVA） | g1941 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合成酶 | 催化 | SREBP直接靶基因，过表达SREBP后显著上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 麦角固醇生物合成 | g7787 | 固醇异构酶 (ERG2) | 催化 | SREBP直接靶基因，过表达SREBP后显著上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 麦角固醇生物合成 | g3908 | 羊毛固醇14-脱甲基酶 (ERG11) | 催化 | SREBP直接靶基因，过表达SREBP后显著上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 甘油磷脂/甘油脂代谢 | g4280 | 心磷脂特异性磷脂酶 | 催化 | SREBP直接靶基因，过表达SREBP后显著上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 甘油磷脂/甘油脂代谢 | g4309 | 溶血磷脂酰基转移酶 | 催化 | SREBP直接靶基因，过表达SREBP后显著上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 甘油磷脂/甘油脂代谢 | g1208 | 乙醇胺磷酸转移酶 | 催化 | SREBP直接靶基因，过表达SREBP后显著上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 鞘脂代谢 | g4387 | 神经酰胺合酶 | 催化 | SREBP直接靶基因，过表达SREBP后显著上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 三萜/灵芝酸生物合成（推测） | g4875 | 细胞色素P450 (CYP) | 催化 | SREBP靶基因，与MVA基因共调控，可能参与GA生物合成 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 三萜/灵芝酸生物合成（推测） | g4164 | 细胞色素P450 (CYP) | 催化 | SREBP靶基因，与MVA基因共调控，可能参与GA生物合成 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 甲羟戊酸途径（MVA） | g1847 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 过表达SREBP后上调，非直接靶基因？文中未确认为SREBP靶基因，但为SREBP调控的DEG |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 三萜生物合成 | g1881 | 羊毛固醇合酶 | 催化 | 过表达SREBP后上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 麦角固醇生物合成 | g1634 | delta24-固醇还原酶 (ERG4) | 催化 | 过表达SREBP后上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 麦角固醇生物合成 | g288 | 固醇22-去饱和酶 (ERG5) | 催化 | 过表达SREBP后上调 |
| 灵芝 (Ganoderma lingzhi) | 全局调控（三萜、麦角固醇、脂质代谢） | g2373 | 转录因子SREBP (bHLH-zip) | 调控 | 研究的核心转录因子，直接结合靶基因启动子 |
| 大肠杆菌 (Escherichia coli BL21) | 异源蛋白表达 | — | SREBP-bHLH重组蛋白 | 催化 | 用于EMSA体外结合实验 |
关键发现
- 灵芝基因组组装总长49.15 Mb，N50为2.33 Mb，GC含量55.87%，预测13,125个蛋白编码基因。DAP-seq共鉴定到2271个SREBP结合位点，其中75.9%位于转录起始位点2 kb内
- 1077个潜在靶基因中富集到萜类/三萜生物合成、甘油磷脂/甘油脂代谢等通路。SREBP过表达菌株中，MVA途径基因（如甲羟戊酸激酶g3941、HMG-CoA合成酶g1941）、麦角固醇合成基因（固醇异构酶g7787、羊毛固醇14-脱甲基酶g3908）以及3个甘油磷脂/甘油脂代谢基因显著上调
- 10个靶基因表达上调3.9-22.6倍。代谢组显示甲羟戊酸、羊毛固醇、麦角固醇及13种灵芝酸含量显著增加
- 总灵芝酸、麦角固醇、羊毛固醇和灵芝酸C2分别提高约1.87、1.84、1.89和2.75倍，CYP含量提高1.63倍。核内SREBP蛋白水平提高1.63-2.11倍。添加10 μg/mL fatostatin后，上述基因表达和代谢物含量恢复至与野生型相近水平。
研究结论
SREBP作为bHLH-zip转录因子，通过直接结合靶基因启动子区域（核心基序5'-GRVGRVGRVGR-3'）促进三萜（灵芝酸）、麦角固醇和脂质生物合成相关基因的转录，从而增强这些代谢途径的产量，阐明了SREBP在灵芝三萜和脂质代谢中的全局调控作用。