Yeast lacking the sterol C-5 desaturase Erg3 are tolerant to the anti-inflammatory triterpenoid saponin escin
- 作者
- Emily J. Johnston, Jess Tallis, Edward Cunningham-Oakes, Tessa Moses, Simon J. Moore, Sarah Hosking, Susan J. Rosser
- 杂志
- Scientific Reports（2023）
- DOI
- 10.1038/s41598-023-40308-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
皂苷escin对酵母具有毒性，阻碍了利用工程酵母工业规模生产escin皂苷；需要找到对escin具有高耐受性的酵母宿主菌株。
研究策略
筛选酿酒酵母甾醇生物合成突变体（脂质组突变体）对escin的耐受性，发现ERG3基因缺失菌株表现出显著增强的耐受性；结合转录组分析和escin与甾醇预混合实验，验证escin通过直接与麦角甾醇相互作用而抑制酵母生长的机制。
核心内容
该研究针对皂苷escin对酵母的毒性阻碍其工业规模生产的问题，系统筛选了酿酒酵母甾醇生物合成突变体对escin的耐受性。结果显示，缺失甾醇C-5脱饱和酶基因ERG3的菌株在YPD培养基中最高可耐受1000 μg/mL的escin而不受抑制，而野生型BY4741的最低抑菌浓度仅为150 μg/mL。转录组分析表明，erg3Δ在100 μg/mL escin处理下仅19个基因上调、4个下调，远低于野生型上调473个基因的响应幅度。通过escin与甾醇预混合实验，研究者证明escin通过与麦角甾醇直接结合发挥毒性，而erg3Δ中积累的ergosta-7,22-dienol与escin的结合较弱，从而解释了其耐受性机制。该工作首次揭示ERG3缺失赋予酵母对escin的高耐受性，为利用工程酵母生产escin皂苷提供了关键宿主改造策略，同时强调脂质组突变体筛选应作为皂苷生产菌株工程化的重要前提。
创新点
首次报道甾醇C-5脱饱和酶基因ERG3缺失使酿酒酵母对escin具有极高耐受性（在YPD中最高1000 μg/mL仍不抑制生长）；通过转录组分析发现erg3Δ对escin处理的转录响应极小（仅19个基因上调、4个下调）；证明escin与麦角甾醇直接结合，而与erg3Δ中积累的甾醇（如ergosta-7,22-dienol）结合较弱。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 麦角甾醇生物合成 | ERG3 | 甾醇C-5脱饱和酶 | 催化 | 缺失该基因导致麦角甾醇合成受阻，累积ergosta-7,22-dienol等甾醇，使菌株对escin表现出显著增强的耐受性 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 麦角甾醇生物合成 | ERG6 | 甾醇C-24甲基转移酶 | 催化 | erg6Δ对escin的MIC与野生型相同（150 μg/mL），但转录组显示其与erg3Δ有部分相似表型 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 麦角甾醇生物合成 | ERG2 | 甾醇C-8异构酶 | 催化 | erg2Δ对escin的MIC与野生型相同（150 μg/mL） |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 麦角甾醇生物合成 | ERG4 | 甾醇C-24(28)还原酶 | 催化 | erg4Δ对escin的MIC与野生型相同（150 μg/mL） |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 麦角甾醇生物合成 | ERG5 | 甾醇C-22脱饱和酶 | 催化 | erg5Δ对escin的MIC与野生型相同（150 μg/mL） |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 麦角甾醇生物合成 | UPC2 | 甾醇传感器和转录激活因子 | 调控 | 在erg3Δ和erg6Δ中均上调，调控麦角甾醇生物合成基因表达 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 麦角甾醇生物合成 | ECM22 | 甾醇传感器和转录激活因子 | 调控 | 与UPC2共同调控ERG基因的转录 |
关键发现
- 野生型BY4741在YPD培养基中escin的MIC为150 μg/mL，在CSM培养基中为63 μg/mL（后者降低2.4倍）
- erg3Δ在YPD中最高1000 μg/mL、在CSM中最高500 μg/mL escin下生长均不受抑制。erg2Δ、erg4Δ、erg5Δ、erg6Δ的MIC与野生型相似（150 μg/mL）。将escin与麦角甾醇以1:1摩尔比预混合可完全恢复野生型在63 μg/mL escin下的生长，而与芸苔甾醇预混合无恢复作用。转录组分析表明，erg6Δ在对照条件下有162个DEGs（≥2倍），erg3Δ有106个
- 在100 μg/mL escin处理下，野生型上调473个基因、erg6Δ上调494个，而erg3Δ仅上调19个、下调4个。erg3Δ中NCE102表达量为野生型的42%，erg6Δ为40%。
研究结论
escin的酵母毒性主要通过其与麦角甾醇的直接相互作用介导；erg3Δ菌株由于甾醇组成改变（缺乏麦角甾醇）而具备显著增强的escin耐受性，因此敲除ERG3是工程酵母生产escin皂苷的有效策略。该研究强调筛选脂质组突变体的耐受性应作为皂苷生产菌株工程化的关键前提。