Gene expression cross-profiling in genetically modified industrial Saccharomyces cerevisiae strains during high-temperature ethanol production from xylose
- 作者
- Ku Syahidah Ku Ismail, Takatoshi Sakamoto, Haruyo Hatanaka, Tomohisa Hasunuma, Akihiko Kondo
- 单位
- Department of Chemical Science and Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University; Organization of Advanced Science and Technology, Kobe University; Suntory Research Center; School of Bioprocess Engineering, Universiti Malaysia Perlis
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2012.10.017
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏对重组工业酿酒酵母在高温下利用木糖生产乙醇的转录组理解，需要鉴定与高温乙醇生产相关的关键基因和调控机制。
研究策略
将木糖同化基因（XYL1、XYL2、XKS1）导入8株工业酿酒酵母菌株和1株实验室菌株，在38°C高温下进行木糖发酵；利用DNA微阵列技术，通过交叉表达谱分析（cross-profiling）比较3株最佳产乙醇菌株与阴性对照菌株的基因表达差异，筛选共同差异表达基因。
核心内容
该研究将木糖同化基因XYL1、XYL2和XKS1导入8株工业酿酒酵母及1株实验室菌株，在38°C高温下以木糖为唯一碳源进行发酵，并采用DNA微阵列交叉表达谱策略，比较三株最佳产乙醇菌株与对照菌株的全基因组转录差异。最佳菌株sun049T产乙醇15.2 g/L，达理论产量的63%，产率0.87 g/L/h；sun588T在38°C下乙醇产量仅比30°C下降1.5%，而对照菌株下降40%。转录组分析锁定164个共同上调和171个共同下调基因，其中HXT9在sun588T中上调777倍，REE1上调1500倍，FLO10上调360倍，ARO3、ENA1等显著下调，qRT-PCR验证了关键基因的表达趋势。研究发现最佳菌株通过增强木糖代谢、上调细胞壁维持相关FLO基因家族以及协调中央碳代谢来应对热应激，且这些基因与已知乙醇耐受基因存在重叠，提示交叉保护机制。该工作首次从转录组层面揭示了工业菌株高温木糖乙醇生产的调控基础，为开发稳健的高温发酵菌株提供了候选基因靶点。
创新点
首次对源自工业菌株的基因工程酿酒酵母在以木糖为唯一碳源、38°C高温条件下的全基因组表达谱进行阐述；采用跨菌株交叉分析策略，锁定了164个共同上调和171个共同下调的基因；发现FLO基因家族（如FLO1、FLO10）在高温应激下显著上调，可能与细胞壁完整性和絮凝保护相关。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae sun049T | 木糖代谢途径 | XYL1 | 木糖还原酶 | 催化 | 来自Scheffersomyces stipitis，由质粒pJHNX1X2XKN表达 |
| Saccharomyces cerevisiae sun049T | 木糖代谢途径 | XYL2 | 木糖醇脱氢酶 | 催化 | 来自Scheffersomyces stipitis，由质粒pJHNX1X2XKN表达 |
| Saccharomyces cerevisiae sun049T | 木糖代谢途径 | XKS1 | 木糖激酶 | 催化 | 内源基因，由质粒pJHNX1X2XKN过表达 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 己糖转运 | HXT9 | 己糖转运蛋白Hxt9p | 转运 | 在三株最佳产乙醇菌株中显著上调，可能参与木糖摄取 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 细胞壁维护/絮凝 | FLO1 | 凝集素样细胞壁蛋白Flo1p | 区室化 | 在sun048T和sun588T中上调，参与絮凝和细胞壁完整性 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 细胞壁维护/絮凝 | FLO10 | 凝集素样蛋白Flo10p | 区室化 | 在三株最佳菌株中均显著上调，与高温下细胞絮凝有关 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 糖酵解/碳代谢 | REE1 | 烯醇酶调控蛋白Ree1p | 调控 | 调控ENO1表达，在最佳菌株中大幅上调 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 糖酵解 | ENO1 | 烯醇酶 | 催化 | 在sun048T和sun049T中上调，可能参与碳代谢和细胞壁功能 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 芳香族氨基酸合成 | ARO3 | 3-脱氧-D-阿拉伯糖-庚酮糖酸-7-磷酸合酶 | 催化 | 在最佳菌株中显著下调，可能响应高温和木糖代谢 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 离子转运 | ENA1 | 质膜钠离子ATPase | 转运 | 在最佳菌株中下调，可能与ATP节省有关 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 磷酸代谢 | PHO12 | 可阻遏酸性磷酸酶 | 催化 | 在最佳菌株中下调，功能尚不明确 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 色氨酸合成 | TRP1 | 磷酸核糖邻氨基苯甲酸异构酶 | 催化 | 在最佳菌株中上调，可能贡献热耐受和乙醇耐受 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T | 甘油合成 | GPD1 | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 上调以保护细胞免受高温损伤 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 甲酸解毒 | FDH1 | 甲酸脱氢酶 | 催化 | 在最佳菌株中上调，可能与交叉保护有关 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 磷脂合成 | INO1 | 肌醇-1-磷酸合酶 | 催化 | 上调可能增加膜屏障以抵抗热应激 |
| Saccharomyces cerevisiae sun048T/sun049T/sun588T | 热激响应 | HSP12 | 热休克蛋白Hsp12p | 区室化 | 上调，可能增强膜稳定性 |
关键发现
- 在38°C发酵中，最佳菌株sun049T产乙醇15.2 g/L，达到理论产量的63%
- sun048T和sun588T各产14.1 g/L，sun051T为13.9 g/L
- 阴性对照sun491T和sun473T仅产9.9和10.0 g/L。sun049T乙醇产率最高，为0.87 g/L/h
- sun588T在38°C下乙醇产量仅比30°C下降1.5%，而sun491T下降40%。乙醇得率方面，sun491T最高为0.34 g/g，sun051T为0.32 g/g（63%理论得率），sun048T、sun049T和sun588T均为0.31 g/g（61%理论得率）。转录组分析发现三株最佳菌株共有164个基因上调和171个基因下调，其中HXT9在sun588T中上调777倍，REE1上调1500倍，FLO10上调360倍
- 而ARO3、ENA1、PHO12等基因显著下调。qRT-PCR验证了HXT9、FLO10、REE1等基因的表达趋势与微阵列一致。
研究结论
通过交叉表达谱分析，发现最佳产乙醇菌株在高温下通过增强木糖代谢、上调细胞壁维持相关基因（如FLO基因）以及协调中央代谢途径来应对热应激。这些基因与已知的乙醇耐受基因存在重叠，表明存在交叉保护机制。该研究为开发利用木糖的高温乙醇生产稳健菌株提供了转录组水平的见解。