Proteomic profiling and integrated analysis with transcriptomic data bring new insights in the stress responses of Kluyveromyces marxianus after an arrest during high-temperature ethanol fermentation
- 作者
- Pengsong Li, Xiaofen Fu, Ming Chen, Lei Zhang, Shizhong Li
- 单位
- MOST-USDA Joint Research Center for Biofuels, Beijing Engineering Research Center for Biofuels, Institute of New Energy Technology, Tsinghua University; Agricultural Utilization Research Center, Nutrition and Health Research Institute, COFCO Corporation, No.4 Road, Future Science and Technology Park South, Beijing, Changping, Beijing 102209, China
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2019）
- DOI
- 10.1186/s13068-019-1390-2
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明马克斯克鲁维酵母在高温乙醇发酵停滞后的蛋白质组变化及其与转录组的关联，揭示其胁迫应激的分子机制。
研究策略
采用iTRAQ定量蛋白质组学分析高温发酵不同时间点（14、16、18、20、22 h）的蛋白表达谱，与已有转录组数据进行整合分析，通过GO/KEGG富集、Spearman相关性分析、脂肪酸测定、酶活性测定和MRM验证等揭示应激响应机制。
核心内容
该研究利用iTRAQ定量蛋白质组学技术，对马克斯克鲁维酵母在高温乙醇发酵停滞前后的蛋白表达谱进行了系统分析，并与已有转录组数据整合，揭示了其胁迫应激的分子机制。研究者比较了发酵14至22小时五个时间点的蛋白变化，共鉴定到3331个蛋白质，其中差异表达蛋白数量随时间显著增加，至22小时达428个。转录组与蛋白质组间的相关性普遍较低，提示存在广泛的转录后调控。关键结果显示，发酵停滞后转录、翻译及氧化磷酸化相关蛋白丰度下降，ATPase活性显著降低，而分子伴侣和蛋白酶体组分上调；同时脂肪酸组成发生改变，总脂肪酸增加20.44%，其中棕榈酸和油酸分别上升16.77%和28.49%。这些发现表明，该酵母通过下调能量代谢、重塑膜脂组成并增强蛋白质量控制体系来应对高温乙醇胁迫。研究首次为该菌株建立了蛋白质组层面的调控图谱，所鉴定的差异蛋白及脂肪酸变化为代谢工程改造其胁迫耐受性提供了新的潜在靶点。
创新点
首次对马克斯克鲁维酵母进行基于iTRAQ的定量蛋白质组学研究；整合蛋白质组与转录组数据，发现转录后调控的复杂性；揭示发酵停滞后转录、翻译、氧化磷酸化下调，分子伴侣和蛋白酶体上调以及脂肪酸组成改变等应激响应，为代谢工程改造提供新靶点。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Kluyveromyces marxianus DMKU3-1042 (NBRC 104275) | 转录 | — | RNA polymerase subunits (ABC2, ABC5, AC2, A14, B11, B4, B9, C37) | 催化 | RNA聚合酶亚基在发酵停滞后下调 |
| Kluyveromyces marxianus DMKU3-1042 (NBRC 104275) | 翻译 | — | Ribosomal proteins (S4, S12, S27a, L12, L6-A, P0, P1, P2, S3, S22, L30, L31-A) | 催化 | 多数核糖体蛋白下调，部分上调 |
| Kluyveromyces marxianus DMKU3-1042 (NBRC 104275) | 氧化磷酸化 | — | Acp1, cytochrome c1, cytochrome c oxidase subunits 1/4/6/6B, F-type ATPase subunits 8/E/H/K, V-type ATPase subunits F/G/H/a | 能量供给 | 氧化磷酸化相关蛋白下调，ATPase活性显著下降 |
| Kluyveromyces marxianus DMKU3-1042 (NBRC 104275) | 脂肪酸代谢 | — | Faa1, Acc1, Fas1 | 催化 | 下调，总脂肪酸含量增加20.44% |
| Kluyveromyces marxianus DMKU3-1042 (NBRC 104275) | 蛋白质质量控制 | — | Gtt1, Atx1, Hsp12, Cpr6, Sis1 | 调控 | 分子伴侣上调，应对氧化胁迫 |
| Kluyveromyces marxianus DMKU3-1042 (NBRC 104275) | 蛋白质降解 | — | Pre1, Rpn6, Rpn7, Pre7 | 调控 | 蛋白酶体亚基上调，降解错误折叠蛋白 |
关键发现
共鉴定到3331个蛋白质和25,022个肽段。与14 h相比，16、18、20、22 h分别有31（27下/4上）、216（195下/21上）、362（334下/28上）、428（372下/56上）个差异表达蛋白。转录组与蛋白质组相关性：16 h vs 14 h定量蛋白和DEPs相关性仅4.20%和3.23%，其他组为30.56%-59.11%。Spearman相关性：所有定量蛋白R=-0.0355~0.0138，DEPs R=-0.0079~0.0233，同向DEPs R=0.5593~0.7080。MRM验证R²=0.8809。ATPase活性从14 h到22 h显著下降(p<0.05)。脂肪酸从14 h到22 h：棕榈酸增加16.77%，油酸增加28.49%，总C16增加14.14%，总C18增加26.88%，C22增加628.57%，C24增加125.29%，总脂肪酸增加20.44%。分子伴侣和蛋白酶体蛋白（Gtt1、Atx1、Rpn6、Pre7等）上调。
研究结论
该研究证实了马克斯克鲁维酵母在高温乙醇发酵停滞后的应激响应包括转录、翻译和氧化磷酸化活性的下降，脂肪酸组成的改变以及分子伴侣和蛋白酶体丰度的增加，为改造其胁迫耐受性提供了潜在靶点。