Systems-level organization of yeast methylotrophic lifestyle
- 作者
- Hannes Rußmayer, Markus Buchetic, Clemens Gruber, Minoska Valli, Karlheinz Grillitsch, Gerda Modarres, Raffaele Guerrasio, Kristaps Klavins, Stefan Neubauer, Hedda Drexler, Matthias Steiger, Christina Troyer, Ali Al Chalabi, Guido Krebihel, Denise Sonntag, Günther Zellnig, Günther Daum, Alexandra B. Graf, Friedrich Altmann, Gunda Koellensperger, Stephan Hann, Michael Sauer, Diethard Mattanovich, Brigitte Gasser
- 单位
- Department of Biotechnology, BOKU - University of Natural Resources and Life Sciences Vienna, Muthgasse 18, 1190 Vienna, Austria; Austrian Centre of Industrial Biotechnology, A-1190 Vienna, Austria; Department of Chemistry, BOKU - University of Natural Resources and Life Sciences Vienna, A-1190 Vienna, Austria; Institute of Biochemistry, Graz University of Technology, A-8010 Graz, Austria; Austrian Centre of Industrial Biotechnology, A-8010 Graz, Austria; School of Bioengineering, University of Applied Sciences FH Campus, A-1190 Vienna, Austria; BIOCRATES Life Sciences AG, A-6020 Innsbruck, Austria; Institute of Plant Sciences, NAWI Graz, University of Graz, A-8010 Graz, Austria; Institute of Analytical Chemistry, University of Vienna, A-1090 Vienna, Austria
- 杂志
- BMC Biology（2015）
- DOI
- 10.1186/s12915-015-0186-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明甲基营养型酵母毕赤酵母在甲醇/甘油与葡萄糖培养下系统层面的代谢组织差异，揭示甲醇同化途径（木酮糖单磷酸循环）的完整机制及其过氧化物酶体定位特征
研究策略
采用整合多组学方法，包括转录组（5354个基因）、蛋白质组（575个蛋白）、代谢组（141个代谢物）和代谢通量分析（39个反应），比较稳态恒化培养中甲醇/甘油与葡萄糖两种碳源条件下的差异，并通过过氧化物酶体蛋白质组学和代谢物验证提出新模型
核心内容
该研究通过整合转录组、蛋白质组、代谢组和代谢通量分析，系统揭示了毕赤酵母在甲醇/甘油与葡萄糖培养条件下的代谢组织差异。研究发现甲醇同化途径完全定位于过氧化物酶体，而非传统认为的胞质磷酸戊糖途径，并鉴定出包括Fba1-2、Tal1-2、Shb17等重复的甲醇诱导酶系，由此提出完整的木酮糖单磷酸循环模型。关键结果包括：5354个基因中406个差异表达，蛋白质与转录本显著共调控（r=0.78）；甲醇培养下CO2释放率降低13%、氧气摄取率升高30%，TCA循环通量降低3.2倍；甲醇同化关键中间代谢物景天庚酮糖-1,7-二磷酸在甲醇条件下信号噪声比达84-116，而葡萄糖培养下低于5；过氧化物酶体蛋白质组显示DAS1富集14.79倍、SHB17富集3.05倍；甲醇/甘油培养下蛋白质含量比葡萄糖高35%（0.54 vs 0.40 g/g CDW），NADPH产生速率约3 mmol/g/h。该工作澄清了甲醇同化途径的区室化定位和循环机制，证明多组学整合分析对解析未知代谢途径的重要价值。
创新点
1. 发现整个甲醇同化途径定位在过氧化物酶体，而非胞质磷酸戊糖途径；2. 鉴定出重复的甲醇诱导酶系（包括Fba1-2, Tal1-2, Rki1-2, Rpe1-2和Shb17），提出木酮糖单磷酸循环；3. 证实S1,7BP作为关键中间代谢物；4. 揭示辅因子合成途径（核黄素、硫胺素、烟酰胺、血红素）与甲醇代谢的协同上调
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pichia pastoris | 甲醇利用 | AOX1/AOX2 | 醇氧化酶 | 催化 | 催化甲醇氧化为甲醛，产生H2O2，定位于过氧化物酶体 |
| Pichia pastoris | 甲醇同化 | DAS1/DAS2 | 二羟丙酮合酶 | 催化 | 催化甲醛与木酮糖-5-磷酸缩合，形成二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸 |
| Pichia pastoris | 木酮糖单磷酸循环 | FBA1-2 | 果糖-1,6-二磷酸醛缩酶 | 催化 | 含PTS1信号，过氧化物酶体定位，参与碳骨架重排 |
| Pichia pastoris | 木酮糖单磷酸循环 | SHB17 | 景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶 | 催化 | 催化S1,7BP去磷酸化为景天庚酮糖-7-磷酸，驱动循环 |
| Pichia pastoris | 木酮糖单磷酸循环 | TAL1-2 | 转醛醇酶 | 催化 | 含PTS1，过氧化物酶体定位，甲醇诱导 |
| Pichia pastoris | 甲醇异化 | FDH1 | 甲酸脱氢酶 | 能量供给 | 催化甲酸氧化为CO2，产生NADH，为细胞提供还原力 |
| Pichia pastoris | 过氧化物酶体生物发生 | PEX5 | PTS1受体 | 调控 | 识别PTS1信号序列，介导基质蛋白导入过氧化物酶体，甲醇培养时上调 |
| Pichia pastoris | NADH穿梭 | ODC1 | 苹果酸-α-酮戊二酸转运蛋白 | 转运 | 参与NADH从胞质到线粒体的转运，甲醇培养时转录和蛋白水平上调 |
| Pichia pastoris | 乙醛酸循环 | MLS2 | 苹果酸合酶 | 催化 | 过氧化物酶体定位，甲醇培养时上调 |
关键发现
- 在甲醇/甘油培养下，5354个基因中406个显著差异表达，575种蛋白质与转录本显著共调控（r=0.78, r^2=0.61）；CO2释放率降低13%，氧气摄取率升高30%；甲醇/甘油生长的细胞蛋白质含量比葡萄糖高35%（0.54 vs
- 40 g/g CDW），游离氨基酸低约20%；鉴定到S1,7BP在甲醇培养的细胞中信号噪声比为84-116，而葡萄糖培养小于5；过氧化物酶体蛋白质组学显示DAS1富集14.79倍、DAS2
- 10倍、SHB17
- 05倍；甲醇/甘油条件下PPP通量增加，NADPH产生速率约3 mmol/g/h，约10%用于氨基酸合成；TCA循环通量降低3.2倍；生物量产率分别为0.54和0.57 gCDW/g底物。
研究结论
综合多组学数据揭示了P. pastoris甲醇同化是一个严格调控的过氧化物酶体区室化循环过程（木酮糖单磷酸循环），澄清了此前关于磷酸戊糖途径参与甲醇同化的模糊认识；同时证明了多组学整合分析对阐明未知代谢途径的潜力。