Transcriptome of the Alternative Ethanol Production Strain Dekkera bruxellensis CBS 11270 in Sugar Limited, Low Oxygen Cultivation
- 作者
- Ievgeniia A. Tiukova, Mats E. Petterson, Christian Tellgren-Roth, Ignas Bunikis, Thomas Eberhard, Olga Vinnere Pettersson, Volkmar Passoth
- 单位
- Department of Microbiology, Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala Biocenter, Uppsala, Sweden; Department of Animal Breeding and Genetics, Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala Biocenter, Uppsala, Sweden; Science for Life Laboratory, Department of Immunology, Genetics and Pathology, Rudbeck Laboratory, Uppsala Genome Center, Uppsala University, Uppsala, Sweden
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0058455
- 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
解析替代乙醇生产菌株Dekkera bruxellensis CBS 11270在低糖、低氧条件下竞争胜出的分子机制，通过全转录组测序揭示其基因表达特征。
研究策略
在模拟工业发酵的连续培养（糖限制、低氧、pH 3.6、36°C）条件下培养D. bruxellensis CBS 11270，利用AB SOLiD平台进行全转录组测序，将reads比对至参考基因组并计算RPKM，通过与S. cerevisiae和K. pastoris同源基因比较分析关键代谢途径的基因表达。
核心内容
该研究对替代乙醇生产菌株Dekkera bruxellensis CBS 11270在糖限制、低氧连续培养条件下进行全转录组测序，以解析其在工业发酵中竞争胜出的分子机制。培养稳态时乙醇浓度达19.0 g/L，产率0.475，甘油和乙酸低于检测限。测序获得约81%的reads映射至未注释区域，检测到3,715个注释基因表达。关键发现包括：多种葡萄糖转运蛋白基因高表达，如AWRI1499_3136的RPKM达3371.55，支持其高底物亲和力假说；首次报道呼吸链复合物I基因表达，挑战了Crabtree阳性酵母缺乏此复合物的观点；未能检测到甘油合成最终步骤的甘油-3-磷酸磷酸酶基因，解释了其低甘油产量。此外，NADH生成酶与再氧化酶表达的不平衡为Custer效应提供了代谢基础。这些特征共同表明，D. bruxellensis通过节省甘油合成途径的ATP消耗、利用微量氧进行NADH再氧化以及高亲和力糖转运系统，在低糖低氧条件下获得相对于酿酒酵母的竞争优势。
创新点
首次报道D. bruxellensis在工业相关条件下的全转录组；发现呼吸链复合物I基因表达，挑战了Crabtree阳性酵母缺乏此复合物的观点；提出NADH不平衡是Custer效应的代谢基础；发现甘油合成最终步骤基因缺失，解释其低甘油产量；高表达多种糖转运蛋白，支持高亲和力竞争假说。
研究对象（28）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | — | — | — | — | 工业分离株，连续培养条件：糖限制、低氧、pH 3.6、36°C |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 糖转运 | AWRI1499_3136 | 葡萄糖转运蛋白 | 转运 | RPKM 3371.55，同源于S. cerevisiae HXT6/HXT7（高亲和力，但注释为低亲和力） |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 糖转运 | AWRI1499_3135 | 己糖转运蛋白 | 转运 | RPKM 2234.21，同源于HXT6/HXT7/GAL2 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 糖转运 | AWRI1499_4734 | 己糖转运蛋白 | 转运 | RPKM 268.06，同源于HXT2 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 糖转运 | AWRI1499_2919 | 高亲和力葡萄糖转运蛋白 | 转运 | RPKM 70.72，同源于HXT13/HXT17 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 糖转运调控 | AWRI1499_1677 | 低葡萄糖传感器（SNF3同源） | 调控 | 可能诱导己糖转运蛋白表达，Blast E-value 3.0e-17 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 糖酵解 | AWR11499_0020 | 己糖激酶 | 催化 | RPKM 1276.84 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 糖酵解 | AWR11499_2550 | 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | RPKM 8293.73，20个最高表达基因之一 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 糖酵解 | AWR11499_3554 | 烯醇酶 | 催化 | RPKM 5249.95，20个最高表达基因之一 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 糖酵解 | AWR11499_1634 | 磷酸丙糖异构酶 | 催化 | RPKM 3667.94，20个最高表达基因之一 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 乙醇发酵 | AWR11499_4217 | 乙醇脱氢酶（ADH1同源） | 催化 | 高表达，RPKM 6038.40 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 乙醇发酵 | AWR11499_3822 | 乙醇脱氢酶（ADH7同源） | 催化 | RPKM 80.38 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 乙醛代谢 | AWR11499_4758 | 乙醛脱氢酶（ALD2同源） | 催化 | Blast E-value 2.0e-145，预测胞质定位 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 乙醛代谢 | AWR11499_2184 | 乙醛脱氢酶（ALD2同源） | 催化 | Blast E-value 9.0e-43，预测胞质定位 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 乙醛代谢 | AWR11499_3518 | 乙醛脱氢酶（ALD4同源） | 催化 | 所有醛脱氢酶中RPKM最高，预测线粒体定位 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 乙醛代谢 | AWR11499_1757 | 乙醛脱氢酶（ALD4同源） | 催化 | 预测线粒体定位 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 乙醛代谢 | AWR11499_4715 | 乙醛脱氢酶（ALD4同源） | 催化 | 预测线粒体定位 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 甘油合成 | AWR11499_0479 | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | RPKM 287.7 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 甘油合成 | AWR11499_2210 | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | RPKM 101.7；未检测到甘油-3-磷酸磷酸酶基因（最终步骤） |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 呼吸链 | AWR11499_4189 | NADH-泛醌氧化还原酶亚基（复合物I） | 能量供给 | RPKM 352.67，低氧下表达，Crabtree阳性酵母中罕见 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 呼吸链 | AWR11499_1979 | 替代氧化酶（线粒体前体） | 能量供给 | RPKM 49.67 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 硝酸盐同化 | AWR11499_4881 | 硝酸还原酶 | 催化 | RPKM 469.55 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 硝酸盐同化 | AWR11499_4883 | 硝酸转运蛋白 | 转运 | RPKM 287.59 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 硝酸盐同化 | AWR11499_4882 | 亚硝酸还原酶 | 催化 | RPKM 2.15 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 纤维二糖利用 | AWR11499_4733 | β-葡萄糖苷酶 | 催化 | RPKM 1825.03 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 乳糖利用 | AWR11499_4880 | β-半乳糖苷酶 | 催化 | RPKM 121.43 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 蔗糖利用 | AWR11499_4315 | 蔗糖转运蛋白 | 转运 | RPKM 72.39 |
| Dekkera bruxellensis CBS 11270 | 嘧啶代谢 | AWR11499_3467 | 二氢乳清酸脱氢酶（线粒体同工酶） | 催化 | RPKM 196.93，与S. cerevisiae的胞质型不同 |
关键发现
- 连续培养稳态乙醇浓度19.0±1.1 g/L，产率0.475，OD600稳定在17.5，甘油和乙酸低于检测限。测序共获得3,221,021 reads（8.83%）映射到已注释基因，33,233,366 reads（81.17%）映射到未注释区域；检测到3,715个注释基因表达（共4,861个）。最高表达基因包括核仁GTP结合蛋白2（RPKM
- 06）、延伸因子1-β（49138.25）、40S核糖体蛋白s22（45648.69）等。葡萄糖转运蛋白基因AWRI1499_3136 RPKM
- 55，AWRI1499_3135 RPKM
- 21，AWRI1499_4734 RPKM
- 06，AWRI1499_2919 RPKM
- 72。己糖激酶AWR11499_0020 RPKM
- 84，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶AWR11499_0062 RPKM
- 69。甘油-3-磷酸脱氢酶AWR11499_0479 RPKM
- 7，AWR11499_2210 RPKM
- 7。乙醇脱氢酶AWR11499_4217 RPKM
- 40。呼吸链复合物I亚基AWR11499_4189 RPKM
- 67，硝酸还原酶AWR11499_4881 RPKM
- 55，硝酸转运蛋白AWR11499_4883 RPKM
- 59，亚硝酸还原酶AWR11499_4882 RPKM
- 15。未检测到甘油合成最终步骤的甘油-3-磷酸磷酸酶基因。
研究结论
D. bruxellensis在低糖、低氧条件下相对于S. cerevisiae的竞争优势可能源于：甘油合成相关基因低表达从而节省ATP；表达呼吸链复合物I等组分利用微量氧进行NADH再氧化；多种高亲和力葡萄糖转运蛋白的表达提高底物亲和力；以及NADH生成酶与再氧化酶表达不平衡导致Custer效应。这些特征共同解释了其在工业发酵和葡萄酒酿造中的竞争性。