Regulation of carotenogenesis in the red yeast Xanthophyllomyces dendrorhous: the role of the transcriptional co-repressor complex Cyc8-Tup1 involved in catabolic repression
- 作者
- Pamela Córdova, Jennifer Alcaino, Natalia Bravo, Salvador Barahona, Dionisia Sepúlveda, María Fernández-Lobato, Marcelo Baeza, Victor Cifuentes
- 单位
- Departamento de Ciencias Ecológicas, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, Las Palmeras 3425, Casilla 653, Ñuñoa, Santiago, Chile; Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, Departamento de Biología Molecular (UAM-CSIC), Universidad Autónoma Madrid, Campus de Cantoblanco, calle Nicolás Cabrera No 1, Cantoblanco, 28049 Madrid, Spain
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2016）
- DOI
- 10.1186/s12934-016-0597-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究Xanthophyllomyces dendrorhous中类胡萝卜素生物合成（carotenogenesis）受葡萄糖分解代谢物阻遏的分子机制，尤其是Cyc8-Tup1辅阻遏复合物在此过程中的作用。
研究策略
通过生物信息学鉴定CYC8和TUP1基因，利用异源互补在Saccharomyces cerevisiae中验证功能；构建X. dendrorhous的cyc8-和tup1-基因敲除突变株，分析其生长、细胞外蔗糖酶活性、类胡萝卜素产量及相关基因表达，并结合转录组学揭示调控网络。
核心内容
本研究以红酵母Xanthophyllomyces dendrorhous为对象，探究Cyc8-Tup1辅阻遏复合物介导的葡萄糖分解代谢物阻遏对类胡萝卜素合成的调控机制。通过生物信息学鉴定并克隆了CYC8（编码1469个氨基酸，含10个TPR基序）和TUP1（编码678个氨基酸，含7个WD40重复），异源互补实验证实二者可部分恢复酿酒酵母相应突变株的生长及蔗糖酶活性的葡萄糖阻遏。在红酵母中分别敲除cyc8和tup1后，葡萄糖条件下细胞外蔗糖酶活性较野生型提高约2倍和4倍，稳态期类胡萝卜素产量分别提升约90%和40%，虾青素占比由野生型的70%升至80–85%。葡萄糖添加实验显示突变株解除阻遏，类胡萝卜素产量在处理后升至2至2.5倍，而野生型单位生物量产量下降约70%。转录组揭示INV和grg2在野生型中受葡萄糖抑制约12倍和600倍，突变株中抑制显著减弱。该研究首次证明Cyc8-Tup1复合物在酵母类胡萝卜素合成调控中功能保守，为解除碳代谢阻遏、提高类胡萝卜素产量提供了新靶点。
创新点
首次证明Cyc8-Tup1辅阻遏复合物参与酵母类胡萝卜素生物合成的调控，揭示了葡萄糖通过该复合物抑制carotenogenesis的分子机制。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 全局转录调控（碳代谢物阻遏） | CYC8 | Cyc8 | 调控 | 转录辅阻遏物，含有10个TPR基序 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 全局转录调控（碳代谢物阻遏） | TUP1 | Tup1 | 调控 | 转录辅阻遏物，含有7个WD40重复 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 甲羟戊酸途径 | HMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA转化为甲羟戊酸，类异戊二烯前体合成 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 甲羟戊酸途径 | idi | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | IPP与DMAPP之间的异构化 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 甲羟戊酸途径/类胡萝卜素前体 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 合成FPP |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | 香叶基香叶基焦磷酸合酶（GGPP合酶） | 催化 | 合成GGPP |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素生物合成 | crtYB | 八氢番茄红素-β-胡萝卜素合酶 | 催化 | 双功能酶：八氢番茄红素合酶和番茄红素环化酶 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 将八氢番茄红素去饱和为番茄红素 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素生物合成 | crtS | 虾青素合酶 | 催化 | 细胞色素P450，催化β-胡萝卜素羟化和酮化生成虾青素 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素生物合成 | crtR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为CrtS提供电子 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 蔗糖/碳源代谢 | INV | 蔗糖酶（β-呋喃果糖苷酶） | 催化 | 受葡萄糖阻遏调节的靶基因 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 碳代谢物阻遏调控 | MIG1 | Mig1 | 调控 | DNA结合转录调控因子，介导葡萄糖阻遏，与Cyc8-Tup1复合物协同 |
| Saccharomyces cerevisiae | 全局转录调控 | CYC8 | Cyc8 | 调控 | 异源表达验证功能，部分恢复cyc8突变表型 |
| Saccharomyces cerevisiae | 全局转录调控 | TUP1 | Tup1 | 调控 | 异源表达验证功能，部分恢复tup1突变表型 |
关键发现
- 在野生型X. dendrorhous中，以葡萄糖和甘油为碳源培养呈现双相生长，μ1=0.116±0.004 h^-1，μ2=0.039±0.004 h^-1，分别对应于单独葡萄糖（μ=0.12±0.02 h^-1）和甘油（μ=0.0404±0.0003 h^-1）的生长速率。CYC8基因ORF为4410 bp，编码1469个氨基酸（含10个TPR基序）
- TUP1基因ORF为2037 bp，编码678个氨基酸（含7个WD40重复）。异源表达X. dendrorhous的CYC8或TUP1可部分恢复S. cerevisiae cyc8-或tup1-突变株的生长（μ分别为0.22±0.01和0.15±0.01 h^-1，比空载体对照高2.4和1.5倍）及蔗糖酶活性的葡萄糖阻遏（活性降低约30%）。在X. dendrorhous中，cyc8-和tup1-突变导致细胞外蔗糖酶活性在葡萄糖条件下分别比野生型高约2倍和4倍
- 稳态期类胡萝卜素产量分别提高约90%和40%，虾青素占比从野生型的70%升至80-85%。葡萄糖添加实验表明，24小时后野生型类胡萝卜素产量未增加，而cyc8-和tup1-突变株的类胡萝卜素产量分别升至处理前的2倍和2.5倍
- 野生型单位生物量类胡萝卜素降低约70%。转录水平上，INV在野生型中受葡萄糖抑制约12倍，grg2约600倍
- 而突变株中抑制减弱（INV约5倍，grg2约25倍）。idi在突变株中受葡萄糖诱导5-15倍，FPS在cyc8-中上调8倍。转录组分析显示，与野生型相比，cyc8-突变株有137（DESeq2）/422（EBSeq）/1584（EdgeR）个差异表达基因，tup1-突变株对应为121/1008/1583个。
研究结论
Cyc8和Tup1在X. dendrorhous中功能保守，通过葡萄糖分解代谢物阻遏调控类胡萝卜素合成。cyc8-和tup1-突变解除了葡萄糖对carotenogenesis的抑制，提高了类胡萝卜素产量。这是首次报道Cyc8-Tup1辅阻遏复合物参与酵母类胡萝卜素合成的调控。