Integrated omics of Saccharomyces cerevisiae CENPK2-1C reveals pleiotropic drug resistance and lipidomic adaptations to cannabidiol
- 作者
- Erin Noel Jordan, Ramin Shirali Hossein Zade, Stephanie Pillay, Paul van Lent, Thomas Abeel, Oliver Kayser
- 杂志
- npj Systems Biology and Applications（2024）
- DOI
- 10.1038/s41540-024-00382-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
大麻素在酵母细胞工厂中的产量低，需要解析大麻二酚（CBD）对酵母细胞生理的影响机制，特别是多效药物抗性（PDR）和脂质代谢适应，以指导菌株改造。
研究策略
利用整合组学（基因组、转录组、代谢组）方法分析CBD处理下酿酒酵母CENPK2-1C的生长、基因表达和代谢物变化，并通过基因敲除和回补实验验证关键基因功能。
核心内容
该研究对CBD处理下的酿酒酵母CENPK2-1C进行了基因组、转录组与代谢组的整合分析，以解析外源大麻素引发的细胞生理适应机制。实验发现，0.5 mM CBD处理约45小时出现生长拐点，该表型与溶剂及营养条件无关。转录组分析鉴定出8个显著上调基因，其中PDR5被证实为关键因子：敲除PDR5可消除生长拐点，回补后表型恢复。代谢组学检测到48个显著谱峰，其中20个为非CBD代谢物，并仅在CBD处理细胞中发现特有脂质1-docosanoyl-glycero-3-phosphoserine。基因组组装大小为11.98 Mbp，N50为800.5 Kbp。结果表明，CBD通过触发多效药物抗性系统和脂质组重塑来适应外源化合物，这一过程消耗能量与碳通量并抑制细胞生长。该发现提示，在构建大麻素生物合成的酵母底盘时，需考虑这些非靶标效应，为理性改造菌株、提高大麻素产量提供了新的靶点与生理层面的设计依据。
创新点
首次对CBD处理酵母进行整合组学分析；鉴定PDR5为CBD诱发的生长表型关键基因；发现CBD处理酵母中特有脂质1-docosanoyl-glycero-3-phosphoserine；揭示线粒体调控与脂质重塑在CBD应答中的作用。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae CENPK2-1C | 多效药物抗性 | PDR5 | Pdr5p | 转运 | ABC转运蛋白，负责CBD外排，敲除消除post-diauxic shift表型 |
| Saccharomyces cerevisiae CENPK2-1C | 线粒体调控 | TAR1 | Tar1p | 调控 | 线粒体活性调节子，与rRNA共调控 |
关键发现
- 以0.5 mM CBD处理酿酒酵母CENPK2-1C，在约45小时出现生长拐点（post-diauxic shift），该表型与溶剂和营养环境无关。转录组分析发现8个显著上调基因（log2 fold change>1.5，adjusted p<0.05）：CIS1, RDN37-1, PDR5, RDN25-1, RDN18-1, TAR1, IMT1, YGR035C。PDR5敲除消除生长拐点，回补恢复。代谢组学鉴定出48个显著谱峰，其中20个为非CBD化合物，包括脂肪酸、甘油磷脂等
- 仅在CBD处理的细胞中发现1-docosanoyl-glycero-3-phosphoserine。基因组组装大小为11.98 Mbp，N50为800.5 Kbp，BUSCO完整性99.4%。
研究结论
CBD通过触发酵母多效药物抗性（PDR）和脂质组重塑来适应外源大麻素，这一过程消耗能量和碳通量并影响细胞生长；在构建大麻素生物合成酵母菌株时，应考虑这些非靶标效应。