Proteome analysis of xylose metabolism in Rhodotorula toruloides during lipid production
- 作者
- Ievgeniia A. Tiukova, Jule Brandenburg, Johanna Blomqvist, Sabine Sampels, Nils Mikkelsen, Morten Skaugen, Magnus Ø. Arntzen, Jens Nielsen, Mats Sandgren, Eduard J. Kerkhoven
- 单位
- Systems and Synthetic Biology, Department of Biology and Biological Engineering, Chalmers University of Technology; Department of Molecular Sciences, Swedish University of Agricultural Sciences; Faculty of Science and Technology, Norwegian University of Life Sciences; Department of Chemistry, Biotechnology and Food Science, Norwegian University of Life Sciences
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2019）
- DOI
- 10.1186/s13068-019-1478-8
- 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
解析产油酵母Rhodotorula toruloides在以木糖为碳源合成脂质过程中的蛋白质组变化，揭示木糖代谢的限速步骤及代谢调控机制，为利用木质纤维素底物生产微生物油脂提供理论依据。
研究策略
以葡萄糖和木糖分别作为唯一碳源进行分批培养，比较生长动力学、脂质含量、脂肪酸组成和全蛋白质组差异，结合基因集分析和靶向通路分析，鉴定碳源特异的蛋白表达变化。
核心内容
该研究以产油酵母Rhodotorula toruloides为对象，系统比较了以葡萄糖和木糖为唯一碳源时的生长、脂质合成及全蛋白质组差异，旨在解析木糖代谢的限速环节。分批培养结果显示，葡萄糖上的最大比生长速率（0.14 h⁻¹）和糖摄取速率约为木糖（0.07 h⁻¹）的两倍，最终生物量产率分别为0.36和0.28 g/g，但最终脂质含量相近（47.51% vs 47.05%），表明木糖利用效率较低主要源于前期碳流分配而非脂质合成能力不足。蛋白质组分析发现，木糖培养中8个假定糖转运蛋白上调5.6至338倍，4个NADPH依赖的木糖还原酶上调6.8至68.5倍，而NADPH依赖的醇脱氢酶Rhto_01922上调达832倍，提示木糖转运是限速步骤，磷酸戊糖途径是NADPH再生的主要来源。值得注意的是，脂肪酸合成与过氧化物酶体及线粒体β-氧化相关酶在木糖培养中同步上调8至128倍，形成无效循环，增加了ATP消耗，部分解释了木糖上生物量产率较低的原因。该研究鉴定出多个糖转运蛋白和β-氧化相关酶，为通过代谢工程改造R. toruloides优化木质纤维素底物的脂质生产提供了新靶点。
创新点
首次对产油酵母R. toruloides在木糖转化为脂质过程中的蛋白质组进行系统分析；鉴定出多个候选木糖特异性转运蛋白（如Rhto_01630、Rhto_03448等）和过氧化物酶体β-氧化相关酶（如Rhto_03890、Rhto_03776等），为木糖利用的代谢工程改造提供了新靶点。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 糖转运 | Rhto_01630, Rhto_03448, Rhto_07444, Rhto_06801, Rhto_06080, Rhto_01923, Rhto_00228, Rhto_07706 | 假定木糖转运蛋白 | 转运 | 木糖培养时显著上调（5.6–338倍），推测参与木糖摄取 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 糖转运 | Rhto_04266, Rhto_00984, Rhto_06016 | 假定葡萄糖转运蛋白 | 转运 | 葡萄糖培养时上调16倍，可能参与葡萄糖转运；Rhto_06016在葡萄糖培养中高表达 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 木糖代谢 | Rhto_03963, Rhto_00641, Rhto_06555, Rhto_00602 | 木糖还原酶（XR） | 催化 | 木糖培养时上调6.8–68.5倍，催化木糖还原为木糖醇，消耗NADPH |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 木糖代谢 | — | 木糖醇脱氢酶（XDH） | 催化 | 木糖培养时显著上调，催化木糖醇氧化为木酮糖，消耗NAD⁺ |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | NADPH再生 | Rhto_01922 | NADPH依赖性醇脱氢酶 | 催化 | 木糖培养所有时间点上调832倍，可能通过氧化醇类再生NADPH |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 脂肪酸合成 | Rhto_03915 | ATP-柠檬酸裂解酶 | 催化 | 在葡萄糖和木糖培养的脂质积累阶段均上调，为脂肪酸合成提供乙酰-CoA |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 脂肪酸合成 | Rhto_02004 | 乙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 脂质积累阶段上调，催化乙酰-CoA羧化为丙二酰-CoA |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 脂肪酸合成 | Rhto_02139, Rhto_02032 | 脂肪酸合酶（FAS）亚基 | 催化 | 两个亚基在两种碳源上脂质积累阶段均上调 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 脂质分解（β-氧化） | Rhto_03890, Rhto_03776, Rhto_05407, Rhto_07118, Rhto_00300, Rhto_06581 | 过氧化物酶体β-氧化酶 | 催化 | 木糖培养指数期即上调8–16倍，可能与脂肪酸合成形成无效循环 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 脂质分解（β-氧化） | Rhto_04971, Rhto_06738, Rhto_01625, Rhto_00397 | 线粒体β-氧化酶 | 催化 | 木糖培养早期上调8–128倍，葡萄糖培养仅脂质积累阶段上调2.3–8倍 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 磷脂合成 | Rhto_01718 | 磷脂酸胞苷酰转移酶 | 催化 | 木糖培养脂质积累阶段上调2.5倍，催化磷脂酸转化为CDP-二酰甘油 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 磷脂合成 | Rhto_03783 | 磷脂酰-N-甲基乙醇胺N-甲基转移酶 | 催化 | 木糖培养上调2倍，参与磷脂酰胆碱合成 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 磷脂合成 | Rhto_02741 | CDP-二酰甘油-肌醇3-磷脂酰转移酶 | 催化 | 木糖培养脂质积累阶段下调2.3倍，参与磷脂酰肌醇合成 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 磷脂合成 | Rhto_03399 | 磷脂酰丝氨酸脱羧酶 | 催化 | 葡萄糖培养中上调16倍，催化磷脂酰丝氨酸脱羧生成磷脂酰乙醇胺 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 甲羟戊酸途径 | Rhto_02048 | 乙酰-CoA C-乙酰转移酶 | 催化 | 葡萄糖培养脂质积累阶段下调3.5倍 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 甲羟戊酸途径 | Rhto_02504 | 香叶酰香叶酰二磷酸合酶 | 催化 | 木糖培养中上调2倍，参与类胡萝卜素前体合成 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 类胡萝卜素/氧化应激 | Rhto_04602 | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 两种碳源脂质积累阶段均上调，与氧化应激响应相关 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 氨基酸生物合成 | Rhto_07040, Rhto_05760, Rhto_03298, Rhto_04566 | 亮氨酸合成酶（3-异丙基苹果酸脱水酶等） | 催化 | 木糖和葡萄糖培养中脂质积累阶段均下调2.5倍 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 氧化应激 | Rhto_00225, Rhto_03923, Rhto_00450, Rhto_06289 | 谷胱甘肽代谢酶（谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽S-转移酶、乳酸谷胱甘肽裂解酶） | 催化 | 木糖培养指数期和脂质积累阶段均上调，响应氧化应激 |
| Rhodotorula toruloides CBS 14 | 磷酸戊糖途径 | — | PPP酶（如6-磷酸葡萄糖脱氢酶、6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶） | 催化 | 两种碳源脂质积累阶段上调，表明NADPH主要经PPP再生 |
关键发现
- R. toruloides在葡萄糖上的最大比生长速率（0.14 h⁻¹）和糖摄取速率约为木糖（0.07 h⁻¹）的两倍
- 最终生物量产量（YX/S）葡萄糖为0.36 g/g，木糖为0.28 g/g
- 最终脂质含量相近，葡萄糖为47.51%，木糖为47.05%
- 最终脂质产量（YL/S）分别为0.19和0.15 g/g。木糖培养中8个推测糖转运蛋白上调5.6–338倍，4个NADPH依赖的木糖还原酶上调6.8–68.5倍
- NADPH依赖的醇脱氢酶Rhto_01922上调832倍。过氧化物酶体β-氧化酶在木糖培养中上调8–16倍，线粒体β-氧化酶上调8–128倍。木糖培养中脂肪酸合成与β-氧化同时上调，提示存在无效循环，部分解释了木糖上生物量产率较低的现象。
研究结论
木糖转运是R. toruloides利用木糖合成脂质的限速步骤；NADPH主要通过磷酸戊糖途径再生，但苹果酸酶及醇/醛脱氢酶也可能参与；脂肪酸合成与β-氧化的同步上调形成无效循环，增加了ATP消耗。研究鉴定了多个糖转运蛋白和β-氧化相关酶作为基因工程靶点，为优化木糖底物的脂质生产提供了重要参考。