Multi-omics network model reveals key genes associated with p-coumaric acid stress response in an industrial yeast strain
- 作者
- F. E. Ciamponi, D. P. Procópio, N. F. Murad, T. T. Franco, T. O. Basso, M. M. Brandão
- 杂志
- Scientific Reports（2022）
- DOI
- 10.1038/s41598-022-26843-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析工业酿酒酵母菌株SA-1在p-香豆酸（pCA）胁迫下的转录组与生理响应机制，并识别与胁迫耐受相关的关键基因。
研究策略
采用恒化器连续培养控制条件，结合RNAseq转录组学、细胞外代谢物定量分析、短变异（SNP/INDEL）预测以及基于STRING蛋白-蛋白互作网络的共表达聚类，构建整合多组学的网络模型。
研究路线图
核心内容
该研究以工业酿酒酵母菌株SA-1为对象，通过恒化器连续培养控制条件，整合RNAseq转录组、细胞外代谢物定量、短变异预测及蛋白互作网络聚类，构建了p-香豆酸（pCA）胁迫下的多组学网络模型。结果显示，在7 mM pCA胁迫下，菌株乙醇比生成速率从8.66增至13.27 mmol g⁻¹ h⁻¹（增加53%），葡萄糖摄取率增加26%，但生物量产率下降22%，乙醇产率从0.38升至0.46 g/g葡萄糖。共鉴定出1472个差异表达基因，其中448个显著差异（10个上调、438个下调），KEGG通路分析显示氧化磷酸化、柠檬酸循环和过氧化物酶体通路被抑制，而氨基酸生物合成等8条通路被激活。通过变异分析获得38,420个短变异，其中1093个高影响变异，最终筛选出16个关键基因（如ARO10、GCV1、CHA1等）作为网络核心节点。该研究揭示了SA-1通过激活代谢与生物合成、下调线粒体和过氧化物酶体通路的复杂平衡应对pCA胁迫，所识别的hub基因可作为代谢工程改造靶点，为增强工业酵母对木质纤维素抑制物的耐受性提供了理论依据。
创新点
首次整合多组学数据构建工业酵母SA-1的pCA胁迫响应网络模型；揭示了SA-1在pCA下乙醇产量增加而生物量降低的独特表型；识别出20个网络hub基因和16个作为多组学模型锚点的候选工程靶点。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 芳香族氨基酸代谢/苯丙氨酸分解 | ARO10 | Aro10p | 催化 | 苯丙酮酸脱羧酶，pCA胁迫下上调(log2FC=1.09)，与乙醇产量正相关，参与HMF和糠醛解毒 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 甘氨酸裂解系统 | GCV1 | Gcv1p | 催化 | 甘氨酸脱羧酶复合物T亚基，线粒体蛋白，上调(log2FC=0.82)，与乙醇产量正相关 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 氨基酸生物合成 | CHA1 | Cha1p | 催化 | L-丝氨酸/L-苏氨酸脱氨酶，上调(log2FC=0.51)，与氨基酸生物合成正相关，响应乙醇胁迫 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢 | TDA10 | Tda10p | 催化 | ATP结合蛋白（类似激酶），下调(log2FC=-0.72)，与甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢和乙醇产量负相关，含纯合错义变异 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 柠檬酸循环/过氧化物酶体 | IDP2 | Idp2p | 催化 | NADP+依赖性异柠檬酸脱氢酶，下调(log2FC=-3.57)，与乙醇产量负相关，参与乙醛酸循环和过氧化物酶体代谢 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 甾醇合成/脂质代谢 | ERG10 | Erg10p | 催化 | 乙酰-CoA乙酰转移酶，下调，与乙醇产量负相关，参与麦角固醇合成和氧化应激响应 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 氧化磷酸化/电子传递链 | CYB2 | Cyb2p | 能量供给 | 细胞色素b2（L-乳酸脱氢酶），下调，与生物量产率正相关，参与线粒体电子传递 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 氧化磷酸化/电子传递链 | CYT1 | Cyt1p | 能量供给 | 细胞色素c1，下调，与乙醇产量负相关，参与线粒体电子传递和呼吸链 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | ROS解毒/过氧化物酶体 | SOD1 | Sod1p | 催化 | Cu-Zn超氧化物歧化酶，下调(log2FC=-1.34)，与生物量产率正相关，催化超氧化物分解并参与过氧化物信号 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 过氧化物酶体/ROS解毒 | CTA1 | Cta1p | 催化 | 过氧化氢酶A，下调(log2FC=-2.84)，与生物量产率正相关，定位于过氧化物酶体和线粒体 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 半胱氨酸代谢/甲硫氨酸合成 | IRC7 | Irc7p | 催化 | β-裂解酶，上调(log2FC=0.60)，与生物量产率负相关，含杂合高影响变异，参与硫醇化合物生成 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 脂质代谢/细胞周期 | SPO14 | Spo14p | 催化 | 磷脂酶D，下调(log2FC=-0.82)，与生物量产率正相关，参与脂质降解和减数分裂 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 核糖体生物发生 | UTP13 | Utp13p | 调控 | U3 snoRNA相关蛋白，参与rRNA加工和核糖体组装，上调（属于C3簇），与生物量产率负相关 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 硫酸盐同化/嘌呤代谢 | MET3 | Met3p | 催化 | ATP硫酸化酶，上调(log2FC=0.73)，与生物量产率负相关，参与硫酸盐同化和甲硫氨酸合成 |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 嘌呤代谢/能量代谢 | ADK1 | Adk1p | 催化 | 腺苷酸激酶，上调(log2FC=0.50)，与生物量产率负相关，催化AMP+ATP<->2ADP |
| Saccharomyces cerevisiae SA-1 | 嘌呤代谢 | ADE13 | Ade13p | 催化 | 腺苷酸琥珀酸裂解酶，上调(log2FC=0.82)，与生物量产率负相关，参与从头嘌呤生物合成 |
关键发现
- 在7 mM pCA下，SA-1菌株的乙醇比生成速率从8.66增加到13.27 mmol g^-1 h^-1（增加53%），葡萄糖摄取率从-5.80增加到-7.34 mmol g^-1 h^-1（增加26%），生物量产率从0.13降至0.09 gDW/g葡萄糖（降低22%），乙醇产率从0.38增至0.46 g乙醇/g葡萄糖
- 共鉴定到1472个差异表达基因，其中448个显著（10个上调、438个下调）
- KEGG通路分析显示氧化磷酸化、柠檬酸循环和过氧化物酶体通路被抑制，而氨基酸生物合成、嘌呤代谢等8条通路被激活
- 通过变异分析得到38,420个短变异，其中1093个高影响变异
- 最终筛选出16个关键基因（如ARO10、GCV1、CHA1等）作为多组学网络模型的核心节点。
研究结论
SA-1菌株通过复杂的多通路平衡（激活代谢与生物合成、下调线粒体和过氧化物酶体通路）来应对pCA胁迫；识别的hub基因可作为代谢工程改造靶点，以增强工业酵母对木质纤维素抑制物的耐受性。