Dynamic control of ERG20 expression combined with minimized endogenous downstream metabolism contributes to the improvement of geraniol production in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Jianzhi Zhao, Chen Li, Yan Zhang, Yu Shen, Jin Hou, Xiaoming Bao
- 单位
- State Key Laboratory of Microbial Technology, School of Life Science, Shandong University; Shandong Provincial Key Laboratory of Microbial Engineering, School of Bioengineering, Qilu University of Technology
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2017）
- DOI
- 10.1186/s12934-017-0641-9
- 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
酿酒酵母中单萜香叶醇产量较低，主要受限于前体牻牛儿基焦磷酸（GPP）供应不足和香叶醇的内源代谢消耗。
研究策略
通过删除内源转化香叶醇的基因（OYE2、ATF1）、动态控制 ERG20 表达（使用 HXT1 葡萄糖响应启动子替代原生启动子）、优化碳源（葡萄糖/乙醇混合或纯乙醇）以及互补 LEU2 营养缺陷，综合提升香叶醇产量。
核心内容
该研究旨在提升酿酒酵母中单萜香叶醇的产量，其瓶颈在于前体牻牛儿基焦磷酸（GPP）供应不足以及内源代谢对产物的消耗。作者通过系统代谢工程策略加以解决：首先删除内源转化香叶醇的关键基因OYE2和ATF1，分别使产量提升1.7倍和1.6倍；随后以葡萄糖响应型启动子HXT1动态控制ERG20表达，替代原生启动子以平衡GPP与法尼基焦磷酸（FPP）的通量分配，在葡萄糖/乙醇混合补料条件下将产量提升至650.8 mg/L，较对照提高176%；改用纯乙醇补料后产量进一步升至867.7 mg/L。在此基础上叠加OYE2缺失使产量达984.6 mg/L，最终通过互补LEU2营养缺陷，在补料分批发酵中获得1.69 g/L香叶醇，为当时工程酵母中的最高报道值。该工作确立了动态调控关键节点表达与最小化内源消耗相结合的高效平台，为香叶醇及其衍生化学品的微生物合成奠定了基础。
创新点
首次通过动态控制 ERG20 表达来平衡 GPP/FPP 通量，结合内源代谢消耗最小化和 LEU2 营养互补，使香叶醇产量达到 1.69 g/L，为工程酵母中报道的最高值。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | ERG20 | 法尼基焦磷酸合酶（Erg20p） | 催化 | 动态控制其表达（HXT1 启动子）以平衡 GPP 和 FPP 通量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | OYE2 | NADPH 氧化还原酶（Oye2p） | 催化 | 缺失以减少香叶醇向香茅醇的内源转化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | ATF1 | 醇乙酰转移酶（Atf1p） | 催化 | 缺失以减少香叶醇生成乙酸酯 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | tHMG1 | 截短的 HMG-CoA 还原酶 | 催化 | 增强 MVA 途径通量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | IDI1 | IPP 异构酶 | 催化 | 增强 IPP/DMAPP 供应 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | tVoGES | 香叶醇合酶（来自 Valeriana officinalis） | 催化 | 异源表达催化 GPP 生成香叶醇 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | UPC2.1 | 转录因子 UPC2 | 调控 | 过表达以上调 MVA 途径基因 |
| Saccharomyces cerevisiae | 亮氨酸生物合成与甲羟戊酸途径的交叉 | LEU2 | 3-异丙基苹果酸脱氢酶 | 催化 | 营养缺陷互补，可能通过补充 HMG-CoA 前体提高香叶醇产量 |
关键发现
- 通过删除 OYE2 或 ATF1 基因，香叶醇产量分别提高
- 7 倍（285.9 mg/L）和
- 6 倍（259.8 mg/L）；双基因缺失则使产量降至
- 2 mg/L。将 ERG20 启动子替换为弱启动子 BTS1 或 CTR3 后，ERG20 转录水平分别下降 90% 和 75%，但香叶醇产量反而降低
- 6% 和
- 3%（分别为
- 37 mg/L 和
- 85 mg/L）。使用 HXT1 启动子动态控制 ERG20 表达，在葡萄糖/乙醇（1:7）混合补料条件下产量达
- 8 mg/L，比对照提高 176%；以纯乙醇补料时产量进一步提高至
- 7 mg/L。结合 OYE2 缺失后产量达
- 6 mg/L，进一步互补 LEU2 后最终产量达到
- 69 g/L，较之前研究提高
- 8 倍，为工程酵母最高报道水平。
研究结论
通过减少内源香叶醇转化和动态控制 ERG20 表达以重新分配 GPP 通量，结合 LEU2 营养互补，建立了高效的香叶醇生产平台，最终在补料分批发酵中获得 1.69 g/L 香叶醇，为香叶醇衍生化学品的合成提供了基础。