Elucidation of sterol biosynthesis pathway and its co-regulation with fatty acid biosynthesis in the oleaginous marine protist Schizochytrium sp.
- 作者
- Yali Bi, Pengfei Guo, Liangshen Liu, Lei Chen, Weiwen Zhang
- 单位
- Laboratory of Synthetic Microbiology, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin, China; Frontier Science Center for Synthetic Biology and Key Laboratory of Systems Bioengineering, Ministry of Education of China, Tianjin, China; Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin, China; Center for Biosafety Research and Strategy, Tianjin University, Tianjin, China
- 杂志
- Frontiers in Bioengineering and Biotechnology（2023）
- DOI
- 10.3389/fbioe.2023.1188461
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Schizochytrium sp. S31中甾醇生物合成途径及其功能尚不明确，缺少其在脂肪酸合成与类胡萝卜素合成中协同调控的信息。
研究策略
结合基因组数据挖掘（in silico）与化学抑制剂（mevinolin、fosmidomycin、terbinafine、ketoconazole）的化学生物学方法，解析甲羟戊酸（MVA）和甾醇生物合成途径，并考察甾醇合成抑制对脂肪酸及类胡萝卜素合成的影响。
核心内容
该研究以产油海洋原生生物Schizochytrium sp. S31为对象，结合基因组数据挖掘与化学抑制剂处理，系统解析了其甾醇生物合成途径及与脂肪酸、类胡萝卜素合成的关系。通过序列分析发现该菌缺乏质体，依赖甲羟戊酸（MVA）途径而非MEP途径供给萜类前体，且甾醇合成途径呈现藻类和动物特征的嵌合结构；研究还鉴定到一种属于脂肪酸羟化酶超家族的非经典替代性角鲨烯环氧酶AltSQE，弥补了保守角鲨烯环氧酶缺失的空白。化学抑制实验显示，100 μM mevinolin处理后β-胡萝卜素降低64.69%、角鲨烯降低93.70%，而胆固醇和豆甾醇分别提高4.51倍和2.39倍；50 μM mevinolin使总脂肪酸提高15.24%，多不饱和脂肪酸提高27.44%，同时甾醇合成相关基因转录上调。结果证明甾醇合成抑制可促进脂肪酸积累，甾醇与类胡萝卜素代谢可能通过下调HMGCR和crtIBY实现协同调控。该发现为改造Schizochytrium以提高脂质及高值化学品产量提供了理论依据。
创新点
首次在Schizochytrium中通过基因组和化学抑制剂系统阐明MVA与甾醇合成途径；发现该途径具有藻类和动物来源的嵌合特征；鉴定出非经典替代性角鲨烯环氧酶（AltSQE）；证明甾醇合成抑制可促进脂肪酸积累，且甾醇与类胡萝卜素代谢可能通过HMGCR和crtIBY下调协同调控。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Schizochytrium sp. S31 | 甲羟戊酸途径 | ACAT | 乙酰-CoA乙酰转移酶 | 催化 | EC 2.3.1.9；基因ID KN805403.1_orf00405 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甲羟戊酸途径 | HMGS | HMG-CoA合酶 | 催化 | EC 2.3.3.10；基因ID KN805370.1_orf00422 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甲羟戊酸途径 | HMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | EC 1.1.1.34；mevinolin靶点；基因ID KN805388.1_orf00290 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甲羟戊酸途径 | MK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | EC 2.7.1.36；基因ID KN805401.1_orf00324 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甲羟戊酸途径 | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | EC 2.7.4.2；基因ID KN805371.1_orf01820 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甲羟戊酸途径 | MPDC | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | EC 4.1.1.33；基因ID KN805434.1_orf00223 |
| Schizochytrium sp. S31 | 萜类前体合成 | IPI | 异戊烯基二磷酸δ-异构酶 | 催化 | EC 5.3.3.2；基因ID KN805371.1_orf02895 |
| Schizochytrium sp. S31 | 萜类前体合成 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | EC 2.5.1.1/2.5.1.10；基因ID KN805379.1_orf00342 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甾醇生物合成 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | EC 2.5.1.21；基因ID KN805399.1_orf01057 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甾醇生物合成 | AltSQE | 替代性角鲨烯环氧酶 | 催化 | 脂肪酸羟化酶超家族；基因ID KN805388.1_orf00283；terbinafine靶点 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甾醇生物合成 | OSC | 2,3-氧化角鲨烯环化酶（羊毛甾醇/环阿屯醇合酶） | 催化 | EC 5.4.99.7/5.4.99.8；基因ID KN805388.1_orf00276 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甾醇生物合成 | CYP51G1 | 甾醇14-脱甲基酶 | 催化 | EC 1.14.14.154；酮康唑靶点；基因ID KN805454.1_orf00029 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甾醇生物合成 | FK | Δ14-甾醇还原酶 | 催化 | EC 1.3.1.70；基因ID KN805390.1_orf00068 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甾醇生物合成 | SMT | 24-亚甲基甾醇C-甲基转移酶 | 催化 | EC 2.1.1.41；基因ID KN805382.1_orf01293 |
| Schizochytrium sp. S31 | 甾醇生物合成 | DWF1 | Δ24-甾醇还原酶 | 催化 | EC 1.3.1.72；基因ID KN805380.1_orf01851 |
| Schizochytrium sp. S31 | 类胡萝卜素生物合成 | crtIBY | 八氢番茄红素合酶/脱氢酶/番茄红素环化酶（推定） | 催化 | 受甾醇抑制下调；参与类胡萝卜素合成 |
关键发现
- 在Schizochytrium sp. S31中鉴定到4种主要甾醇：胆固醇、豆甾醇、羊毛甾醇和环阿屯醇
- 72 h时胆固醇和豆甾醇含量分别为0.55 mg/g DCW和1.17 mg/g DCW，48 h时羊毛甾醇和环阿屯醇含量分别为2.47 mg/g DCW和2.66 mg/g DCW。基因组分析表明Schizochytrium缺乏质体，利用MVA途径而非MEP途径提供IPP/DMAPP
- 未发现保守的角鲨烯环氧酶，但鉴定到属于脂肪酸羟化酶超家族的替代性角鲨烯环氧酶AltSQE（KN805388.1_orf00283，含9个保守组氨酸残基）。100 μM mevinolin处理后β-胡萝卜素降低64.69%，角鲨烯降低93.70%，胆固醇提高4.51倍，豆甾醇提高2.39倍
- 50 μM mevinolin使总脂肪酸提高15.24%，多不饱和脂肪酸提高27.44%，饱和脂肪酸提高7.68%。100 μM terbinafine处理后胆固醇含量翻倍，羊毛甾醇无法检出
- ketoconazole阻断豆甾醇合成通路。50 μM terbinafine下SQS、AltSQE、OSC、CYP51G1基因转录上调。
研究结论
本研究阐明Schizochytrium甾醇生物合成途径呈藻类和动物特征的嵌合组织结构，甾醇对细胞生长、类胡萝卜素和脂肪酸合成具有重要作用；抑制甾醇合成可促进脂肪酸积累，甾醇与类胡萝卜素代谢可能通过下调HMGCR和crtIBY实现协同调控。这些发现为改造Schizochytrium提高脂质和高值化学品产量奠定基础。