Coregulation of Terpenoid Pathway Genes and Prediction of Isoprene Production in Bacillus subtilis Using Transcriptomics
- 作者
- Becky M. Hess, Junfeng Xue, Lye Meng Markillie, Ronald C. Taylor, H. Steven Wiley, Birgitte K. Ahring, Bryan Linggi
- 单位
- Bioproducts, Sciences and Engineering Laboratory, Washington State University Tri-Cities, Richland, Washington, United States of America; Chemical and Biological Signature Sciences Group, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington, United States of America; Fundamental and Computational Sciences, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington, United States of America; Computational Biology and Bioinformatics Group, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington, United States of America; Environmental and Molecular Sciences Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington, United States of America
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0066104
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
缺乏对枯草芽孢杆菌中萜类途径基因系统级调控的认识，以及如何利用转录组数据预测异戊二烯产量。
研究策略
对枯草芽孢杆菌施加12种化学和遗传扰动，通过RNA-seq测定转录组，分析萜类基因表达与异戊二烯产量的关系，并利用偏最小二乘回归构建基于213个基因的预测模型。
核心内容
该研究以枯草芽孢杆菌DSM10为对象，通过12种化学和遗传扰动结合RNA-seq转录组分析，系统考察萜类途径基因表达与异戊二烯产量间的关联。结果显示萜类基因可分为两个与产量呈相反相关的亚群：dxs、ispD、yhfS、pksG和mmgA与产量正相关（dxs的Spearman相关系数为0.63），而ispH、ispF、heps、uppS、ispE、dxr则呈负相关（相关系数低于-0.6）。基于213个差异表达基因构建的偏最小二乘回归模型可预测异戊二烯产量，测试集R²为0.64。野生型产量为3.64 ng/mL/OD600，0.02% H₂O₂刺激下最高达5.43，而2%乙酸和2%乳酸几乎完全抑制；dxs过表达使产量升至4.59，ispA过表达则显著降低。该工作首次揭示了枯草芽孢杆菌萜类基因的两组相反调控模式，证明基因表达水平足以反映代谢状态并用于产量预测，dxs是异戊二烯生产的关键正向调控靶点，其他代谢途径也参与调控，为菌株改造提供了明确靶标。
创新点
首次系统揭示了枯草芽孢杆菌萜类途径基因与异戊二烯产量的两组相反相关模式；建立了基于转录组的异戊二烯产量预测模型，可应用于多种环境条件。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 途径第一步限速酶，表达与异戊二烯产量正相关（Spearman r=0.63），过表达提高产量至4.59 ng/mL/OD600 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | dxr | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 与异戊二烯产量负相关 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | ispD | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇合酶 | 催化 | 与异戊二烯产量正相关 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | ispE | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | 与异戊二烯产量负相关 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | ispF | 2C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | 与异戊二烯产量负相关 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | ispG | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基4-二磷酸合酶 | 催化 | 与异戊二烯产量相关性复杂，其底物甲基赤藓醇环二磷酸外排可能是限速步骤 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | ispH | 1-羟基-2-甲基-丁烯基4-二磷酸还原酶 | 催化 | 与异戊二烯产量负相关 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | fni | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 过表达不影响异戊二烯产量，IPP转化为DMAPP不是限速步骤 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | ispA | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 过表达显著降低异戊二烯产量，使DMAPP/IPP分流到更大萜类 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | hepS | 庚二烯基二磷酸合酶组分I | 催化 | 与异戊二烯产量负相关 |
| Bacillus subtilis DSM10 | DXP途径 | uppS | 十一异戊烯基焦磷酸合成酶 | 催化 | 与异戊二烯产量负相关 |
| Bacillus subtilis DSM10 | 甲羟戊酸途径 | mmgA | 降解性乙酰乙酰辅酶A硫解酶 | 催化 | 与dxs等共表达，与异戊二烯产量正相关 |
| Bacillus subtilis DSM10 | 甲羟戊酸途径 | yhfS | 羟甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 与异戊二烯产量正相关 |
| Bacillus subtilis DSM10 | 甲羟戊酸途径/聚酮合成 | pksG | 3-羟基-3-甲基戊二酰-ACP合酶 | 催化 | 与异戊二烯产量正相关，并连接聚酮与异戊二烯合成 |
关键发现
萜类基因分为两个与异戊二烯产量呈相反相关的亚群：dxs、ispD、yhfS、pksG和mmgA与产量正相关（dxs Spearman相关系数0.63），而ispH、ispF、heps、uppS、ispE、dxr与产量负相关（第一组条件下相关系数<-0.6）。基于213个差异表达基因的PLSR模型预测异戊二烯产量，测试集R²=0.64。野生型异戊二烯产量为3.64±0.49 ng/mL/OD600，0.02% H2O2刺激产量最高达5.43±0.16，2%乙酸和2%乳酸几乎完全抑制。dxs过表达使产量增至4.59±0.55 ng/mL/OD600，ispA过表达则显著降低。
研究结论
基因表达水平足以反映细胞代谢状态，可用于准确预测异戊二烯产量；dxs是异戊二烯生产的关键调控位点，其表达与产量正相关；萜类途径中存在两组相反调控的基因，且其他代谢途径（如翻译、抗生素代谢）也参与影响产量，为代谢工程改造提供了靶点。