Omics-driven onboarding of the carotenoid producing red yeast Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938
- 作者
- Emma E. Tobin, Joseph H. Collins, Celeste B. Marsan, Gillian T. Nadeau, Kim Mori, Anna Lipzen, Stephen Mondo, Igor V. Grigoriev, Eric M. Young
- 单位
- Life Sciences and Bioengineering Center, Department of Chemical Engineering, Worcester Polytechnic Institute, Worcester, MA, USA; U.S. Department of Energy Joint Genome Institute, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA; Plant and Microbial Biology, University of California Berkeley, Berkeley, CA 94720, USA
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2024）
- DOI
- 10.1007/s00253-024-13379-w
- 所属领域
- 代谢工程/合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
非模式担子菌红酵母Xanthophyllomyces dendrorhous缺乏高质量基因组和模块化遗传工具，且其虾青素生物合成通路的光调控机制尚不清楚，限制了其作为工程宿主的开发。
研究策略
通过基因组重测序获得高质量参考基因组，结合多种光照（红、绿、蓝、紫外）及氧化胁迫下的转录组差异表达分析，从转录组数据中筛选组成型与光调控型启动子，并构建模块化GoldenGate克隆系统（包括整合位点、终止子、筛选标记和报告基因），最终在基因组水平表征启动子活性。
研究路线图
核心内容
该研究针对产虾青素的非模式担子菌红酵母Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938开发了“组学到遗传部件”工作流。通过基因组重测序获得高质量参考基因组（19.5 Mb，16条大于100-kb的contigs），并结合红、绿、蓝、紫外光及氧化胁迫下的转录组分析，解析了光调控与胁迫响应机制。研究发现紫外光诱导crtI和crtS上调，氧化胁迫下IDI、MVK、FPS等甲羟戊酸途径基因均上调，并鉴定出多个推定光受体的转录响应。基于转录组数据筛选并构建了包含26个启动子的模块化GoldenGate克隆系统，其中来自假设基因的推定启动子在紫外光下表现出9倍激活。NanoLuc报告系统表达量较crtYB敲除株提高约1000倍，较野生型提高近10000倍。该工作流在获取非模式微生物生物学洞见的同时提供了模块化遗传工具，为缺乏近缘模式生物的微生物工程化改造提供了可推广的策略。
创新点
提出“组学到遗传部件”（omics-to-parts）工作流；首次为X. dendrorhous开发包含26个启动子的模块化遗传部件库；发现紫外光下X. dendrorhous上调芳香族氨基酸和四萜类合成、下调中心碳代谢和呼吸作用的复杂应激反应；鉴定出多个推定光受体（隐花色素、视紫红质等）的转录响应。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 类胡萝卜素生物合成 | crtYB | 双功能番茄红素环化酶/八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 敲除后失去虾青素合成能力，用于红色/白色筛选和整合位点 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 紫外光下转录组log2FC=0.90，氧化应激下也上调 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 类胡萝卜素生物合成 | crtS | 细胞色素P450羟化酶 | 催化 | 紫外光下表达上调 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 甲羟戊酸途径 | MVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 氧化应激下表达上调 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 甲羟戊酸途径 | PMVK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 氧化应激下表达上调 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 甲羟戊酸途径 | MVD | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | — |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 甲羟戊酸途径 | IDI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 氧化应激下log2FC=1.79，已知瓶颈酶 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 甲羟戊酸途径 | FPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 氧化应激下表达上调 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 萜类生物合成 | crtE | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | — |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 光信号转导 | wc2 | White collar 2转录因子 | 调控 | GATA转录因子，调控虾青素合成 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 光信号转导 | cryptochrome | 隐花色素 | 调控 | 紫外光和蓝光下表达上调 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 光信号转导 | rhodopsin | 视紫红质 | 调控 | 紫外光下表达上调 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 抗生素抗性 | natR | 诺尔丝菌素乙酰转移酶(XdNatR) | 催化 | 密码子优化选择标记，MIC实验显示10 μg/mL诺尔丝菌素存活率11.6% |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 报告系统 | NanoLuc | NanoLuc荧光素酶 | 催化 | 表达量比crtYB敲除株高约1000倍，比野生型高近10000倍 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 电子传递链 | ETFQO | 电子传递黄素蛋白脱氢酶 | 能量供给 | 紫外光下表达下调 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 电子传递链 | CYC1 | 细胞色素c | 能量供给 | 紫外光下表达下调 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 电子传递链 | CCP | 细胞色素c过氧化物酶 | 能量供给 | 紫外光下表达下调 |
关键发现
- 获得高质量基因组：16条大于100-kb的contigs，基因组大小19.5 Mb，BUSCO完整单拷贝率76.7%
- MIC实验显示诺尔丝菌素最有效，10 μg/mL时细胞存活率11.6%
- NanoLuc报告系统表达量比crtYB敲除株高约1000倍，比野生型高近10000倍
- qRT-PCR和转录组显示crtI在紫外光下log2FC=0.90，crtS也受紫外诱导
- 氧化应激下IDI log2FC=1.79，MVK、PMVK、FPS、crtYB、crtI均上调
- 一个来自假设基因的推定启动子在紫外光下表现出9倍激活
- 26个推定启动子中多数在合成遗传背景下呈组成型表达。
研究结论
结合系统生物学和合成生物学，通过“组学到部件”工作流可同时获得非模式微生物的生物学洞见和遗传工具，加速缺乏近缘模式生物的微生物工程化改造。