In-depth analysis of erythrose reductase homologs in Yarrowia lipolytica
- 作者
- Mateusz Szczepanczyk, Dorota A. Rzechonek, Cécile Neuveglise, Aleksandra M. Mironczuk
- 杂志
- Scientific Reports（2023）
- DOI
- 10.1038/s41598-023-36152-x
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
分析 Yarrowia lipolytica 中高度同源的赤藓糖还原酶（ER）同源基因在渗透胁迫下对赤藓醇、甘露醇和阿拉伯醇合成的影响，确定关键基因及基因家族的功能冗余，并探索通过基因敲除将碳流从赤藓醇转向其他多元醇的可能性。
研究策略
构建赤藓糖还原酶同源基因的单基因和多基因敲除菌株（D2-D8），在含高浓度甘油或盐的渗透胁迫培养基中测定菌株生长、甘油利用、多元醇及柠檬酸产量；结合生物信息学系统发育分析，研究 Yarrowia clade 物种中 GCY 基因家族的进化保守性。
核心内容
该研究系统分析了解脂耶氏酵母中十个赤藓糖还原酶（ER）同源基因的功能，通过构建单基因及多基因组合敲除菌株（D2-D8），在渗透胁迫条件下考察各基因对赤藓醇、阿拉伯醇和甘露醇合成的影响。结果显示，YALI0B07117g是赤藓醇合成的关键基因，其单基因缺失使赤藓醇产量降至对照的约25%，而敲除六个或七个ER同源基因对赤藓醇合成无显著影响，揭示了该家族存在明显的功能冗余。相比之下，同时敲除八个ER同源基因（D8菌株）使赤藓醇合成降低91%，碳流显著转向阿拉伯醇和甘露醇，二者产量分别增加近8倍和53%。D8菌株在96小时时赤藓醇、甘露醇和阿拉伯醇产量分别为3.34、6.72和9.28 g/L。此外，D8菌株在无盐条件下大量积累柠檬酸至接近60 g/L，但其甘油消耗速率从1.44 g/L/h降至0.74 g/L/h，表明渗透胁迫与多元醇合成受阻影响了甘油利用。该研究阐明了ER基因家族的功能分工与冗余机制，并为通过基因敲除将碳流导向高附加值多元醇和耦合生产柠檬酸提供了可行的代谢工程策略。
创新点
首次系统性敲除8个赤藓糖还原酶同源基因，揭示 YALI0B07117g 在赤藓醇合成中的关键作用；发现多基因敲除可将赤藓醇合成降低91%并显著将碳流转向阿拉伯醇（增加近8倍）和甘露醇（增加53%）；发现D8菌株在无盐条件下大量积累柠檬酸（近60 g/L），为多元醇和柠檬酸耦合生产提供新视角。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0B07117g (GCY12) | YALI0B07117p | 催化 | 赤藓糖还原酶，所有Yarrowia clade物种中保守，敲除对赤藓醇合成影响最显著，单敲除使赤藓醇降至对照约25% |
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0A15906g (GCY13) | YALI0A15906p | 催化 | 赤藓糖还原酶同源物，单敲除对多元醇产量影响不显著 |
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0B21780g (GCY16) | YALI0B21780p | 催化 | 赤藓糖还原酶同源物，单敲除影响不显著 |
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0D04092g (GCY1) | YALI0D04092p | 催化 | 赤藓糖还原酶同源物，单敲除影响不显著 |
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0E18348g (GCY14) | YALI0E18348p | 催化 | 赤藓糖还原酶同源物，单敲除影响不显著，仅在D8菌株中缺失 |
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0F18590g (GCY15) | YALI0F18590p | 催化 | 赤藓糖还原酶同源物，单敲除影响不显著 |
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0C13508g (ARA12) | YALI0C13508p | 催化 | 赤藓糖还原酶同源物，单敲除影响不显著 |
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0C09119g (ARA13) | YALI0C09119p | 催化 | 赤藓糖还原酶同源物，单敲除影响不显著 |
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0F06974g (ARA1) | YALI0F06974p | 催化 | 额外分析的同源物，属于醛酮还原酶家族，未进行基因敲除 |
| Yarrowia lipolytica | 多元醇合成通路（赤藓醇/阿拉伯醇/甘露醇） | YALI0D07634g (GRE3) | YALI0D07634p | 催化 | 醛糖还原酶，额外分析的同源物，未进行基因敲除 |
关键发现
- 敲除8个ER同源基因（D8菌株）使赤藓醇合成降低91%，甘露醇合成增加53%，阿拉伯醇合成增加近8倍（相比对照菌株）。D8菌株96 h时赤藓醇、甘露醇和阿拉伯醇产量分别为3.34 g/L、6.72 g/L和9.28 g/L，而对照菌株阿拉伯醇产量为1.17 g/L
- D7菌株对应产量为9.30 g/L、7.81 g/L和8.43 g/L。单基因敲除中 YALI0B07117g 缺失影响最显著，赤藓醇合成降至对照的约25%，其他单敲除影响有限
- 敲除6个基因（D2-D6）对赤藓醇产量无显著影响，显示功能冗余。D8菌株在含盐ESM中96 h残留甘油36.32 g/L，对照在72 h为4.24 g/L，甘油消耗速率由1.44 g/L/h降至0.74 g/L/h
- 在无盐MSM中96 h甘油几乎耗尽（残留0.02 g/L），但柠檬酸产量接近60 g/L，表明渗透胁迫影响甘油利用。
研究结论
YALI0B07117g 是 Yarrowia lipolytica 赤藓醇合成的关键赤藓糖还原酶基因，多个高度同源的ER基因存在功能冗余；敲除8个ER同源基因虽大幅降低赤藓醇合成但未完全阻断，提示存在替代通路。渗透胁迫下甘油利用受损与赤藓醇合成受阻相关，而将碳流转向阿拉伯醇和甘露醇的策略为工业应用提供了可能，但需进一步敲除其他基因并优化生长参数。