Mechanisms of ethanol tolerance in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Menggen Ma, Z. Lewis Liu
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2010）
- DOI
- 10.1007/s00253-010-2594-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
酿酒酵母在高浓度乙醇特别是高重力/超高重力发酵条件下对乙醇敏感，乙醇耐受性涉及基因组水平的复杂互作网络，但其机制尚未完全阐明。
研究策略
综述近年来关于酿酒酵母乙醇耐受机制的研究进展，整合基因表达、通路分析、信号转导和调控网络信息，提出全局系统模型，并强调时间过程动态研究的重要性。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了酿酒酵母乙醇耐受性的分子机制，提出其并非单一基因决定，而是基因组水平多基因互作、信号转导与调控网络动态整合的结果。作者整合了基因表达、通路分析和调控网络信息，构建了乙醇耐受的全局系统模型原型。综述指出，热休克蛋白和Msn2p/Msn4p转录因子是耐受关键因素，例如耐受株Y-50316在8%乙醇存在下可持续表达HSP12、HSP32、HSP42、HSP78、HSP82和HSP150以维持活培养，而野生型多数基因在乙醇胁迫6小时后无法持续表达，说明瞬时应激反应不等于真正的耐受反应。脯氨酸合成基因在胁迫下无显著诱导而转运基因PUT4上调，色氨酸生物合成基因TRP1-TRP5任一缺失均导致乙醇敏感，但过表达TRP2和TRP5可显著提高耐受性；V-ATPase全部结构基因和组装基因缺失均导致敏感，表明液泡酸化功能不可或缺。部分耐受突变株可耐受约20%乙醇，酵母在胁迫下海藻糖可积累至细胞干重的15%。此外还鉴定出糖酵解和磷酸戊糖途径基因如GND2、ZWF1、ALD4、GCY1在耐受株中显著上调。该综述强调必须采用时间过程研究区分瞬时反应与稳定耐受，为工业菌株的理性改造提供了系统层面的理论依据。
创新点
提出乙醇耐受机制的全局系统模型原型；强调区分瞬时应激反应与真正的耐受反应，指出时间过程研究的重要性；总结了多种基因与通路的相互作用。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 脂肪酸/不饱和脂肪酸代谢 | OLE1 | Δ9脂肪酸去饱和酶 | 催化 | 单不饱和脂肪酸（棕榈油酸和油酸）是质膜关键成分，油酸是乙醇耐受的主要决定因素；乙醇胁迫下OLE1 mRNA水平无显著变化。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 麦角固醇生物合成 | ERG2, ERG3, ERG5, ERG6, ERG24, ERG28 | — | 催化 | 缺失突变体在乙醇胁迫下生长缺陷，但这些基因在乙醇胁迫下表达下调，说明其对耐受重要性不在转录水平。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 脯氨酸生物合成 | PRO1 (pro1D154N), PRO2, PRO3 | γ-谷氨酰激酶等 | 催化 | pro1D154N等位基因增加脯氨酸合成并提高乙醇耐受；PRO1缺失导致乙醇敏感；乙醇胁迫下这些基因无显著诱导，但脯氨酸转运基因PUT4上调。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 色氨酸生物合成 | TRP1, TRP2, TRP3, TRP4, TRP5 | 邻氨基苯甲酸合成酶等 | 催化 | 任一基因缺失均导致乙醇敏感；过表达TRP2和TRP5显著提高耐受性。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 色氨酸转运 | TAT2 | 色氨酸通透酶 | 转运 | 过表达TAT2提高乙醇耐受性，补充色氨酸也有类似效果。 |
| Saccharomyces cerevisiae | V-ATPase 质子转运/液泡酸化 | VMA1, VMA2, VMA4, VMA5, VMA6, VMA7, VMA8, VMA9, VMA10, VMA11, VMA13, VMA16, VPH1, CUP5, VMA12, VMA21, VMA22, RAV1, RAV2 | V-ATPase亚基及组装因子 | 转运 | 14个结构基因和5个组装基因缺失均导致乙醇敏感；V-ATPase通过水解ATP将H+转运入液泡，维持细胞内pH稳态。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 过氧化物酶体生物发生 | PEX1, PEX2, PEX3, PEX4, PEX5, PEX8, PEX10, PEX12, PEX14, PEX15, PEX17, PEX19, PEX22 | Peroxin蛋白 | 区室化 | 过氧化物酶体涉及过氧化物和ROS代谢、膜磷脂合成/降解及细胞膜重塑；缺失突变体对乙醇敏感。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 热休克响应/蛋白质折叠 | HSP12, HSP26, HSP30, HSP31, HSP32, HSP42, HSP78, HSP82, HSP104, HSP150 | 热休克蛋白 | 调控 | 多数HSP在乙醇胁迫下上调，但只有持续表达的HSP（如HSP12、HSP32、HSP42、HSP78、HSP82、HSP150）与真正的耐受相关；Hsp82等参与调控多种关键蛋白。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 海藻糖代谢 | TPS1, TPS2, TSL1, PGM2, UGP1, NTH1, NTH2, ATH1 | 海藻糖合成酶/分解酶 | 催化 | 海藻糖可积累至细胞干重15%，保护膜和蛋白质；同时诱导降解基因以维持最适浓度，避免生长抑制。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解/乙醇发酵 | ADH1, ADH2, ADH3, ADH5, ADH7, SFA1, CDC19, PGK1, TDH1, TDH3, ENO1, ENO2 | 乙醇脱氢酶、丙酮酸激酶、磷酸甘油酸激酶等 | 催化 | 耐受株Y-50316中这些基因持续表达，促进葡萄糖向乙醇转化；野生型在乙醇胁迫6小时后未能持续表达。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 磷酸戊糖途径/NADPH再生 | ZWF1, GND2, SOL4, ALD4, GCY1 | 6-磷酸葡萄糖脱氢酶、6-磷酸葡糖酸脱氢酶等 | 催化 | 上调提供NADPH并维持氧化还原平衡，是耐受株的显著特征；TDH1和TDH3也参与NADH再生。 |
| Saccharomyces cerevisiae | cAMP-PKA信号通路 | CYR1, RAS1, RAS2, GPA2, GPR1 | 腺苷酸环化酶、Ras蛋白、G蛋白偶联受体 | 调控 | 胁迫下cAMP水平下调，释放Msn2p/Msn4p进入核内启动应激反应；Ssa1p通过Cdc25p与通路交互。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 应激转录调控 | MSN2, MSN4, YAP1, HSF1 | Msn2p, Msn4p, Yap1p, Hsf1p | 调控 | 转录因子通过STRE等元件调节乙醇诱导基因；Msn4p是乙醇耐受的关键调控因子，Yap1p和Hsf1p也参与。 |
关键发现
- 乙醇耐受突变株K11和SR4-3可耐受约20%乙醇
- HSP26在2%乙醇下表达不可检测，4%下勉强可检测，更高浓度下表达更丰富
- 耐受株Y-50316在8%乙醇存在下通过持续表达HSP12、HSP32、HSP42、HSP78、HSP82和HSP150建立活培养
- 酵母在胁迫下可积累海藻糖至细胞干重的15%
- 脯氨酸合成基因PRO1、PRO2、PRO3在乙醇胁迫下无显著诱导，但脯氨酸转运基因PUT4上调
- 色氨酸生物合成基因TRP1-TRP5任一缺失均导致乙醇敏感，过表达TRP2和TRP5可显著提高耐受性
- V-ATPase的14个结构基因和5个组装基因缺失均导致乙醇敏感
- 过表达MSN2可提高乙醇耐受性但可能影响生长
- SPT15-300等位基因在多种工业酵母中未提高乙醇耐受性
- 耐受株Y-50316中糖酵解和磷酸戊糖途径基因包括GND2、ZWF1、ALD4、GCY1显著上调，而野生型大多数基因在乙醇胁迫6小时后未能持续表达。
研究结论
乙醇耐受性不是单一基因事件，而是基因组水平多基因互作、信号转导与调控网络动态互动的结果；热休克蛋白和转录因子Msn4p/Msn2p是关键因素；瞬时基因表达反应不等于耐受反应，必须进行时间过程研究以揭示真正的耐受机制。