Combining nucleotide variations and structure variations for improving astaxanthin biosynthesis
- 作者
- Jin Jin, Bin Jia, Ying-Jin Yuan
- 单位
- Frontier Science Center for Synthetic Biology and Key Laboratory of Systems Bioengineering (Ministry of Education), School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University; Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin), Tianjin University
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2022）
- DOI
- 10.1186/s12934-022-01793-6
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏同时产生核苷酸变异和结构变异的高效方法，以改善底盘细胞性能并提高虾青素产量
研究策略
将SCRaMbLE系统（产生结构变异）与ARTP诱变（产生核苷酸变异）相结合，形成CNAS方法，先诱导结构变异再诱导核苷酸变异，应用于酿酒酵母以提高虾青素生物合成
核心内容
为高效改善底盘细胞性能并提高虾青素产量，本研究开发了一种名为CNAS的新策略，将SCRaMbLE系统产生的结构变异与ARTP诱变产生的核苷酸变异相结合，应用于酿酒酵母的虾青素生物合成。该方法首先诱导结构变异，再诱导核苷酸变异，实现了两类遗传变异的同步产生。经CNAS处理的菌株虾青素产量较亲本提高2.2至7.0倍，其中五个菌株产量分别达1.33、1.64、2.50、4.21和4.26 mg/g DCW，而对照仅为0.61 mg/g DCW。基因组测序确认了缺失、重复、倒位等结构变异及SNP和InDel的同时存在。进一步的基因型-表型关联分析鉴定出YJR116W缺失和YOL084W C2481G突变对虾青素合成具有贡献，其中YOL084W突变使产量提高1.72倍；此外，YJR115W过表达菌株产量达1.59 mg/g DCW，较对照提高近3倍。该策略为酵母基因组演化提供了高效工具，也为虾青素等萜类化合物的高产菌株改造提供了新思路。
创新点
首次实现结构变异和核苷酸变异同时生成；通过CNAS提高虾青素产量；鉴定了YJR116W缺失和YOL084W C2481G突变对虾青素合成的贡献
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 虾青素生物合成 | crtE | CrtE | 催化 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶，参与萜类前体合成 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 虾青素生物合成 | crtI | CrtI | 催化 | 八氢番茄红素脱氢酶，催化去饱和反应 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 虾青素生物合成 | crtYB | CrtYB | 催化 | 双功能八氢番茄红素合酶/番茄红素环化酶 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 虾青素生物合成 | crtZ | CrtZ | 催化 | β-胡萝卜素羟化酶，催化羟基化反应 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 虾青素生物合成 | crtW | CrtW | 催化 | β-胡萝卜素酮化酶，催化酮化反应 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 萜类/麦角固醇生物合成调控 | YJR116W | Tda4 | 调控 | 未知功能蛋白，缺失后上调MVA通路和麦角固醇合成基因，提高虾青素产量 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 膜结构/虾青素储存 | YOL084W | Phm7 | 区室化 | 膜蛋白，C2481G突变（Ser826Arg）影响膜结构，增强脂溶性虾青素储存能力 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 未知，与虾青素合成相关 | YJR115W | Yjr115w | 调控 | 未知功能蛋白，过表达使虾青素产量提高近3倍 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 基因组重排（SCRaMbLE） | Cre | Cre重组酶 | 催化 | 催化loxPsym位点间的重组，产生结构变异，用于SCRaMbLE系统 |
关键发现
- CNAS处理菌株虾青素产量较亲本菌株提高2.2-7.0倍；对照菌株产量为0.61 mg/g DCW，五个CNAS菌株（YSA101-105）产量分别为1.33
- 64
- 50
- 21
- 26 mg/g DCW；YSA104中YJR116W缺失菌株YSA448产量为1.26 mg/g DCW；YOL084W C2481G突变使产量提高1.72倍；YJR115W过表达菌株YSA480产量为1.59 mg/g DCW，较对照YSA475提高近3倍；基因组测序显示同时产生缺失、重复、倒位等结构变异及SNP和InDel
研究结论
CNAS策略能高效地同时产生结构变异和核苷酸变异，显著提高虾青素产量，并揭示了YJR116W缺失和YOL084W突变等基因型与表型的关联，为基因组演化提供有力工具。