Gene expression pattern analysis of a recombinant Escherichia coli strain possessing high growth and lycopene production capability when using fructose as carbon source
- 作者
- Wen Du, Yajian Song, Mengya Liu, Haixu Yang, Yao Zhang, Yanli Fan, Xuegang Luo, Zhongyuan Li, Nan Wang, Hongpeng He, Hao Zhou, Wenjian Ma, Tongcun Zhang
- 单位
- College of Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, No. 29, 13th Street, Tianjin Economic and Technological Development Area, Tianjin 300457, China
- 杂志
- Biotechnology Letters（2017）
- DOI
- 10.1007/s10529-016-2133-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示重组大肠杆菌K12f-pACLYC在以果糖为碳源时具有高生长和高番茄红素生产能力的分子机制，重点分析基因转录水平的变化。
研究策略
通过比较菌株在葡萄糖和果糖培养条件下的转录组测序，筛选差异表达基因，结合qRT-PCR验证，分析果糖摄取、丙酮酸代谢、TCA循环和氧化磷酸化等通路的转录变化，阐明代谢流增强的原因。
核心内容
该研究通过转录组测序结合qRT-PCR验证，比较了重组大肠杆菌K12f-pACLYC在以葡萄糖和果糖为碳源时的基因表达差异，旨在揭示果糖条件下高生长与高番茄红素产量的分子机制。结果显示，以10g/L果糖为碳源时，菌株细胞干重达4.6g/L，番茄红素产量为192mg/g DCW（881mg/L），分别比葡萄糖培养高3倍和7倍。转录组分析共鉴定384个差异表达基因（fold change≥4），关键基因中果糖PTS系统基因fruA上调56.1倍，pck上调42.8倍，氧化磷酸化相关基因nuoL上调27.86倍，sdhC上调9.92倍，atpC上调8.57倍，而丙酮酸分解基因aceE下调至0.22倍、ldhA下调至0.09倍。这些转录变化表明，果糖通过上调fruA/B/K促进其进入EMP途径，同时下调丙酮酸分解基因以实现丙酮酸积累，并协同增强TCA循环和氧化磷酸化，提供充足的前体、辅因子和能量，从而支撑高生长与高产。该发现为番茄红素生产菌株的代谢工程改造提供了新的靶点。
创新点
首次通过转录组学分析揭示该菌株在果糖为碳源时高产的机制，发现果糖PTS系统基因和pck基因显著上调，TCA循环和氧化磷酸化通路协同增强，为番茄红素生产菌株的代谢工程提供新靶点。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 果糖PTS转运系统 | fruA | FruA | 转运 | 果糖特异性PTS酶II组分，负责果糖的跨膜转运，上调56.1倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 果糖PTS转运系统 | fruB | FruB | 转运 | PTS系统果糖特异性酶IIA/IIB组分，参与果糖转运 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 果糖代谢 | fruK | FruK | 催化 | 果糖-1-磷酸激酶，催化果糖-1-磷酸磷酸化，上调37.53倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 丙酮酸代谢 | ldhA | LdhA | 催化 | 发酵型D-乳酸脱氢酶，催化丙酮酸生成乳酸，下调至0.09倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 丙酮酸代谢 | poxB | PoxB | 催化 | 丙酮酸氧化酶，催化丙酮酸生成乙酸，下调表达 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 丙酮酸代谢 | aceE | AceE | 催化 | 丙酮酸脱氢酶，催化丙酮酸生成乙酰辅酶A，下调至0.22倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 丙酮酸代谢/TCA循环回补 | pck | Pck | 催化 | 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，催化草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸，上调42.8倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | TCA循环 | sucA | SucA | 催化 | 2-酮戊二酸脱羧酶，上调6.54倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | TCA循环 | sucB | SucB | 催化 | 二氢硫辛酰胺转琥珀酰酶，上调6.41倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | TCA循环/氧化磷酸化 | sdhC | SdhC | 能量供给 | 琥珀酸脱氢酶亚基C，参与电子传递和能量生成，上调9.92倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 氧化磷酸化 | nuoL | NuoL | 能量供给 | NADH：泛醌氧化还原酶亚基L，参与电子传递，上调27.86倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 氧化磷酸化 | atpC | AtpC | 能量供给 | ATP合酶F1扇区亚基C，参与ATP合成，上调8.57倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | 辅因子代谢 | pntA | PntA | 能量供给 | 吡啶核苷酸转氢酶，催化NADH与NADPH相互转化，上调2.17倍 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | MEP途径/番茄红素合成 | crtE | CrtE | 催化 | GGPP合酶，催化IPP/DMAPP合成GGPP |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | MEP途径/番茄红素合成 | crtB | CrtB | 催化 | 八氢番茄红素合酶，催化GGPP生成八氢番茄红素 |
| Escherichia coli K12f-pACLYC | MEP途径/番茄红素合成 | crtI | CrtI | 催化 | 八氢番茄红素脱饱和酶，催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素 |
关键发现
- 在10g/L果糖下，菌株细胞干重达4.6g/L，番茄红素产量达192mg/g DCW（881mg/L），分别比葡萄糖培养高3倍和7倍
- 转录组分析共鉴定384个差异表达基因（fold change≥4）
- fruA上调56.1倍，pck上调42.8倍，nuoL上调27.86倍，sdhC上调9.92倍，atpC上调8.57倍
- aceE下调至0.22倍，ldhA下调至0.09倍。
研究结论
该菌株在以果糖为碳源时的高生长和高番茄红素生产能力源于转录调控，果糖通过上调fruA/B/K促进果糖进入EMP途径，下调丙酮酸分解基因实现丙酮酸积累，并协同上调TCA循环和氧化磷酸化基因，提供充足的前体、辅因子和能量。