王鵬程,李 翔,趙天宇,戰(zhàn)春君,2,3,白仲虎,2,3,楊艷坤,2,3*
(1.江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122;2.江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122;3.江南大學(xué)糖化學(xué)與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122)
嗜甲醇巴斯德畢赤酵母通過(guò)甲醇利用途徑(Methanol utilization pathway,MUTpathway)代謝甲醇[1]。因其具有高效且嚴(yán)格調(diào)控的醇氧化酶1啟動(dòng)子(PAOX1)、培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單、高密度發(fā)酵、蛋白翻譯后修飾系統(tǒng)等優(yōu)良特性,現(xiàn)已成為使用最廣泛外源蛋白表達(dá)宿主之一[2]。其表達(dá)系統(tǒng)基于甲醇代謝通路,但涉及大量轉(zhuǎn)錄和信號(hào)因子,且具體分子機(jī)理尚不清楚[3]。為尋找甲醇代謝潛在信號(hào)因子,分析K.phaffii以甲醇為碳源及甘油為碳源轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[4],發(fā)現(xiàn)被甘油抑制而被甲醇顯著誘導(dǎo)的基因PAS_chr1-4_0516,通過(guò)蛋白序列比對(duì),發(fā)現(xiàn)其與釀 酒 酵 母(Saccharomyces cerevisiae,S.cerevisiae)SUT2同源。而S.cerevisiae中SUT2為SUT1(Sterol up take 1,固醇攝取基因1)同源基因,可在厭氧條件下協(xié)同SUT1參與調(diào)控固醇攝取[5-7],故畢赤酵母中響應(yīng)甲醇誘導(dǎo)的SUT2基因同樣可能為固醇代謝潛在基因。
畢赤酵母細(xì)胞中麥角固醇是最主要固醇成分[8],也是過(guò)氧化物酶體膜重要組成[9]。過(guò)氧化物酶體是甲醇代謝主要細(xì)胞器[10-11]。因此,推測(cè)響應(yīng)甲醇誘導(dǎo)的SUT2通過(guò)調(diào)控麥角固醇代謝,影響過(guò)氧化物酶體膜形成以及過(guò)氧化物酶體增生,進(jìn)而參與甲醇代謝。
甲醇代謝時(shí),過(guò)氧化物酶體量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通過(guò)細(xì)胞器生物發(fā)生與自噬之間的平衡實(shí)現(xiàn)[11]。過(guò)氧化物酶體自噬時(shí),自噬相關(guān)蛋白ATG26通過(guò)GRAM結(jié)構(gòu)域(靶向過(guò)氧化物酶體自噬特異性膜突起)和PH結(jié)構(gòu)域(具有脂質(zhì)結(jié)合活性)與ATG30(Autopha?gy-related gene 30,自噬相關(guān)基因30)、ATG8(Au?tophagy-related gene 8,自噬相關(guān)基因8)、ATG11(Autophagy-related gene 11,自噬相關(guān)基因11)等蛋白協(xié)同作用,參與過(guò)氧化物酶體自噬,控制過(guò)氧化物酶體體積及總量[12]。此外,ATG26蛋白也具有甾醇葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活性,可將麥角固醇轉(zhuǎn)化為甾醇葡萄糖苷[13]。結(jié)合SUT2潛在功能,本文深入研究SUT2與ATG26對(duì)麥角固醇作用及參與甲醇代謝機(jī)理。
菌株和質(zhì)粒如表1所示。文中所需引物均由蘇州金唯智公司合成;吡啶、氫氧化鉀購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,正己烷購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司,N,O-雙(三甲基硅基)三氟代乙酰胺購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司;氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀GCMS-QP2020購(gòu)自日本島津公司;CO2培養(yǎng)箱3111購(gòu)自賽默飛;其他材料、設(shè)備參照文獻(xiàn)[14]。
表1 菌株和質(zhì)粒Table 1 Strains and plasmids
1.2.1 sgRNA-ATG26敲除質(zhì)粒
輸入ATG26基因序列至在線網(wǎng)站(http://chop?chop.cbu.uib.no/),選擇菌種Pichia pastoris,獲得推薦的sgRNA序列;開(kāi)展脫靶效應(yīng)分析,選擇特異性、評(píng)分較高且GC含量合適的sgRNA序列[15]。并根據(jù)sgRNA序列設(shè)計(jì)引物對(duì)sg-F/R,詳細(xì)序列如表2所示。將上下游引物通過(guò)寡鏈退火形成重組片段,采用Golden Gate assembly方法將其和BsaⅠ線性化的sgRNA-Cas9質(zhì)粒組裝并轉(zhuǎn)化至大腸桿菌JM109感受態(tài),對(duì)陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子抽提質(zhì)粒并測(cè)序后獲得陽(yáng)性克?。ù薈RISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建)。
1.2.2 pGAP-ATG26過(guò)表達(dá)質(zhì)粒
利用表2所示引物對(duì)ATG26-F/R,以GS115野生型基因組為模板作PCR,得到ATG26基因片段。將pGAPZB質(zhì)粒利用KpnⅠ、XhoⅠ雙酶切得到載體片段。對(duì)片段和載體采用Gibson assembly,并轉(zhuǎn)化至大腸桿菌JM109感受態(tài),對(duì)陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子抽提質(zhì)粒,利用引物對(duì)26-YZ-F/R作PCR并測(cè)序后獲得陽(yáng)性克隆。
畢赤酵母感受態(tài)制作和轉(zhuǎn)化(電擊法)參考Invitrogen官方手冊(cè)。
表2 研究所用引物Table 2 Primers in thisstudy
將電轉(zhuǎn)后酵母感受態(tài)涂布于博來(lái)霉素平板上,30℃培養(yǎng)3~5 d至形成單菌落,挑取轉(zhuǎn)化子于博來(lái)霉素YPD培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h后,提取酵母基因組DNA。利用表2所示引物對(duì)sg-YZ-F/R擴(kuò)增目的片段并提交蘇州金唯智公司測(cè)序驗(yàn)證。
將陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子接種至無(wú)抗性MM培養(yǎng)基,用以丟失sgRNA質(zhì)粒。30℃、220 r·min-1震蕩培養(yǎng)24 h后于無(wú)抗性平板中劃線分離,30℃培養(yǎng)3~5 d后,挑取單菌落至博來(lái)霉素YPD培養(yǎng)基和無(wú)抗性YPD培養(yǎng)基。30℃、220 r·min-1震蕩培養(yǎng)24 h后,在無(wú)抗性YPD培養(yǎng)基中生長(zhǎng)而抗性YPD培養(yǎng)基中無(wú)法生長(zhǎng)的克隆,即為質(zhì)粒丟失成功克隆,用于后續(xù)試驗(yàn)。
1.5.1 主要培養(yǎng)基
YPD培養(yǎng)基:1%酵母提取物、2%Peptone、2%葡萄糖。
MM培養(yǎng)基:1.34%YNB、0.5%生物素、1%甲醇。
MG培養(yǎng)基:1.34%YNB、0.5%生物素、0.5%甘油。
酵母培養(yǎng)時(shí),若需添加抗生素,博來(lái)霉素和氨芐青霉素終濃度均為100μg·mL-1。
1.5.2 菌株培養(yǎng)條件
將各菌株以1%接種量接種至5 mL YPD培養(yǎng)基,30℃、220 r·min-1震蕩培養(yǎng),過(guò)夜活化。以O(shè)D600=0.5初始量分別轉(zhuǎn)接至50 mL MM(1%甲醇)、MG(0.5%甘油)培養(yǎng)基,并用PBS清洗菌體2次。30℃、220 r·min-1震蕩培養(yǎng)36 h時(shí)取樣并補(bǔ)加1%甲醇,培養(yǎng)60 h時(shí)再次取樣。
取2 mL新鮮菌液,于5 000 r·min-1離心5 min收集菌體。收集細(xì)胞用500μL 20%氫氧化鉀溶液(含50%乙醇)重懸,于沸水中煮沸10 min裂解細(xì)胞,室溫冷卻后加入500μL正己烷,渦旋震蕩萃取5 min后靜置分層,吸取上層正己烷相至新離心管;下層水相中加入250μL正己烷,重復(fù)萃取靜置分層后再次吸取上層正己烷相與第一次萃取液合并。將離心管置于80℃金屬浴揮發(fā)正己烷,揮發(fā)干凈后加入50μL吡啶和100μL N,O-雙(三甲基硅基)三氟代乙酰胺,80℃反應(yīng)30 min后樣品制備完成[16]。
采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析鑒定樣品[17]。所用色譜儀為島津氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀GCMSQP2020,色譜柱為DB-5MS(Agilent,30 m×0.25 mm×0.25μm),F(xiàn)ID檢測(cè)器溫度300℃,載氣氦氣流速為1.2 mL·min-1;進(jìn)樣口溫度300℃,分流進(jìn)樣,進(jìn)樣量1μL,分流比30∶1;柱箱程序升溫起始溫度80℃,然后以20℃·min-1速度升溫至280℃,保持15 min后以20℃·min-1速度升溫至300℃,保持5 min;質(zhì)譜掃描范圍為40~450 m·z-1。
畢赤酵母AOX1酶活性檢測(cè)方法參照文獻(xiàn)[14]。
將目的基因PCR產(chǎn)物與雙酶切后pGAPZB載體作Gibson assembly并轉(zhuǎn)化至JM109感受態(tài)。涂布于博來(lái)霉素平板,挑取陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子測(cè)序驗(yàn)證。驗(yàn)證正確后抽提質(zhì)粒并單酶切線性化、電轉(zhuǎn)至GS115野生型菌株,博來(lái)霉素平板篩選。挑取陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子,提取基因組并PCR測(cè)序驗(yàn)證,瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果如圖1所示。理論長(zhǎng)度為812 bp,圖中所示樣品11~13均符合。
圖1 ATG26過(guò)表達(dá)菌株P(guān)CR驗(yàn)證Fig.1 Confirmation of ATG26 overexpression strainsby PCR
將構(gòu)建成功sgRNA-ATG26敲除質(zhì)粒電轉(zhuǎn)至GS115野生型菌株中,于博來(lái)霉素抗性平板中篩選陽(yáng)性克隆,提取基因組DNA并PCR測(cè)序。比對(duì)結(jié)果如圖2所示,相比于野生型菌株,敲除菌株將95 bp處堿基A成功敲除。
圖2 敲除菌株序列比對(duì)結(jié)果Fig.2 Sequence alignment of mutant strains and wild typestrains
按照1.5中培養(yǎng)及取樣方法分別檢測(cè)野生型、SUT2敲除和過(guò)表達(dá)菌株在常氧及低氧條件下胞內(nèi)麥角固醇含量及AOX1酶活性。其中,常氧下檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。甲醇培養(yǎng)基中,相比于野生型菌株(WT),過(guò)表達(dá)SUT2提高約21%胞內(nèi)麥角固醇含量,而敲除SUT2降低約10%~15%胞內(nèi)麥角固醇含量(見(jiàn)圖3a)。因所用培養(yǎng)基為不含麥角固醇基本培養(yǎng)基,且胞外上清中均檢測(cè)不出麥角固醇(數(shù)據(jù)未顯示),故3株菌均無(wú)法從胞外攝取麥角固醇,也未分泌麥角固醇至胞外。因此本研究推測(cè)SUT2可能通過(guò)促進(jìn)麥角固醇合成正向調(diào)節(jié)胞內(nèi)麥角固醇含量。而甘油培養(yǎng)基中各菌株胞內(nèi)麥角固醇含量無(wú)明顯變化(見(jiàn)圖3b),說(shuō)明SUT2對(duì)麥角固醇合成的影響僅在甲醇誘導(dǎo)條件下存在,與SUT2在甲醇培養(yǎng)基中被誘導(dǎo)表達(dá)現(xiàn)象一致。
通過(guò)檢測(cè)AOX1酶活性發(fā)現(xiàn),相比于野生型菌株,SUT2過(guò)表達(dá)菌株(SUT2-OE)的AOX1酶活性提高約27%(見(jiàn)圖3c),說(shuō)明過(guò)表達(dá)SUT2對(duì)AOX1具有一定程度促進(jìn)作用。因?yàn)椋啾扔诟视团囵B(yǎng)基,甲醇培養(yǎng)基中畢赤酵母過(guò)氧化物酶體顯著增生[18],而麥角固醇是過(guò)氧化物酶體膜重要組成[9],所以甲醇培養(yǎng)基中過(guò)氧化物酶體與麥角固醇含量呈正相關(guān);過(guò)氧化物酶體又是甲醇代謝主要細(xì)胞器[10-11]。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果,推測(cè)SUT2通過(guò)促進(jìn)胞內(nèi)麥角固醇合成并形成過(guò)氧化物酶體膜,促進(jìn)過(guò)氧化物酶體增生,參與甲醇代謝并促進(jìn)AOX1表達(dá)。
此外,SUT2敲除菌株(SUT2-KO)AOX1酶活性與野生型相近,但同樣有所提高(見(jiàn)圖3c)??赡芤騍UT2敲除后激活其他代謝通路導(dǎo)致。
圖3 常氧條件下SUT2敲除、過(guò)表達(dá)及野生型菌株胞內(nèi)麥角固醇含量及AOX1酶活性Fig.3 Intracellular ergosterol content and AOX1 enzymeactivity of SUT2 knockout,overexpression and wild typestrainsunder normoxia
因S.cerevisiae中SUT2為厭氧條件下與SUT1協(xié)同發(fā)揮作用基因[5-7],故本研究給予近似培養(yǎng)條件進(jìn)一步研究,在1.5培養(yǎng)方法上作調(diào)整,實(shí)現(xiàn)低氧條件:靜置于低氧培養(yǎng)箱(CO2∶空氣=1∶4)中培養(yǎng),同時(shí)將三角瓶瓶口用封口膜多次纏繞封閉。
低氧條件下檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。相比于野生型,SUT2過(guò)表達(dá)對(duì)胞內(nèi)麥角固醇含量無(wú)明顯影響,敲除SUT2降低約9%~13%胞內(nèi)麥角固醇含量(見(jiàn)圖4a)。同時(shí),SUT2過(guò)表達(dá)菌株AOX1酶活性具有一定程度提高,SUT2敲除菌株AOX1酶活性與野生型相似(見(jiàn)圖4b)。因?yàn)榧状即x為耗氧過(guò)程,低氧條件下甲醇代謝減弱[19],AOX1和SUT2蛋白活性減弱,導(dǎo)致對(duì)胞內(nèi)麥角固醇合成以及AOX1酶活性促進(jìn)作用均不明顯;若達(dá)到完全厭氧條件,改變SUT2表達(dá)量可能對(duì)胞內(nèi)麥角固醇含量及AOX1酶活性均無(wú)明顯作用。
通過(guò)在不同氧含量、碳源條件下對(duì)畢赤酵母SUT2基因敲除、過(guò)表達(dá)研究,發(fā)現(xiàn)相比于S.cerevisiae,畢赤酵母SUT2基因具有不同功能:常氧條件下,甲醇培養(yǎng)基中畢赤酵母SUT2通過(guò)促進(jìn)胞內(nèi)麥角固醇合成,形成過(guò)氧化物酶體膜,促進(jìn)過(guò)氧化物酶體增生,從而參與甲醇代謝。
將構(gòu)建成功的ATG26敲除、過(guò)表達(dá)菌株同樣按照1.5方法培養(yǎng)及取樣,結(jié)果如圖5所示。甘油培養(yǎng)基中各菌株胞內(nèi)麥角固醇含量無(wú)明顯變化(見(jiàn)圖5b)。而甲醇培養(yǎng)基中,相比于野生型菌株(WT),ATG26過(guò)表達(dá)菌株(ATG26-OE)胞內(nèi)麥角固醇含量下降約18%,AOX1酶活性下降約14%~20%;而ATG26敲除菌株(ATG26-KO)胞內(nèi)麥角固醇含量提高約9%,AOX1酶活性提高約8%(見(jiàn)圖5a、c)。即ATG26對(duì)胞內(nèi)麥角固醇含量以及AOX1酶活性均具有反向調(diào)控作用。又因甲醇培養(yǎng)基中過(guò)氧化物酶體與麥角固醇含量呈正相關(guān),故ATG26通過(guò)改變胞內(nèi)麥角固醇含量影響過(guò)氧化物酶體含量實(shí)現(xiàn)對(duì)AOX1酶活性反向調(diào)控作用。該調(diào)控作用源自ATG26具有的甾醇葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活性,可促進(jìn)麥角固醇轉(zhuǎn)化為甾醇葡萄糖苷[11],減少過(guò)氧化物酶體膜形成,進(jìn)而減少過(guò)氧化物酶體增生以及AOX1酶活性。此外,ATG26還可與ATG30、ATG8、ATG11等蛋白協(xié)同作用,參與過(guò)氧化物酶體自噬,調(diào)控過(guò)氧化物酶體總量及體積[10]。
基于上述試驗(yàn)結(jié)果和已知調(diào)控通路,總結(jié)得到巴斯德畢赤酵母SUT2與ATG26調(diào)節(jié)過(guò)氧化物酶體含量初步模型,如圖6所示。
圖4 低氧條件下胞內(nèi)麥角固醇含量及AOX1酶活性Fig.4 Intracellular ergosterol content and AOX1 enzymeactivity under hypoxia conditions
圖5 常氧條件下ATG26敲除、過(guò)表達(dá)及野生型菌株胞內(nèi)麥角固醇含量及AOX1酶活性Fig.5 Intracellular ergosterol content and AOX1 enzymeactivity of ATG26 knockout,overexpression and wild type strains under normoxia
與釀酒酵母SUT2參與厭氧條件下胞外麥角固醇攝取不同,畢赤酵母SUT2受甲醇顯著誘導(dǎo),雖然其具體誘導(dǎo)機(jī)制尚不清楚[4],但誘導(dǎo)表達(dá)的SUT2蛋白可能通過(guò)促進(jìn)胞內(nèi)麥角固醇合成并形成過(guò)氧化物酶體膜,進(jìn)而促進(jìn)過(guò)氧化物酶體增生并提高AOX1酶活,以此參與甲醇代謝。而同時(shí)存在ATG26蛋白一方面發(fā)揮甾醇葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶活性促進(jìn)麥角固醇轉(zhuǎn)化為甾醇葡萄糖苷,減少胞內(nèi)麥角固醇含量,進(jìn)而減少過(guò)氧化物酶體形成;另一方面作為自噬相關(guān)蛋白,與ATG30、ATG8、ATG11等協(xié)同作用,參與過(guò)氧化物酶體自噬。
因此,SUT2促進(jìn)麥角固醇合成,ATG26將麥角固醇轉(zhuǎn)化為甾醇葡萄糖苷,兩者動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)胞內(nèi)麥角固醇含量及過(guò)氧化物酶體含量,進(jìn)而調(diào)控甲醇代謝。
圖6 巴斯德畢赤酵母SUT2與ATG26調(diào)節(jié)過(guò)氧化物酶體含量模型Fig.6 Model of K.phaffii SUT2 and ATG26 regulating peroxisomecontent
受甲醇嚴(yán)格誘導(dǎo)的畢赤酵母PAOX1表達(dá)系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛表達(dá)系統(tǒng)之一,該系統(tǒng)基于甲醇利用途徑,涉及較多潛在信號(hào)因子。本研究通過(guò)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),此前在K.phaffii中未被表征和深入研究的甲醇相關(guān)潛在因子SUT2,其具體功能機(jī)制尚不清楚。在S.cerevisiae中,SUT2響應(yīng)于厭氧條件,協(xié)同SUT1參與固醇攝取[5-7];在植物細(xì)胞中,SUT2為糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,參與蔗糖代謝[20]。本研究結(jié)合釀酒酵母SUT2功能,合理推斷畢赤酵母SUT2功能并驗(yàn)證。最終發(fā)現(xiàn)畢赤酵母SUT2具有不同于釀酒酵母和植物細(xì)胞SUT2的全新功能,畢赤酵母SUT2響應(yīng)于有氧條件下甲醇代謝,促進(jìn)麥角固醇合成并形成過(guò)氧化物酶體膜,促進(jìn)過(guò)氧化物酶體增生,參與甲醇代謝。
畢赤酵母胞內(nèi)過(guò)氧化物酶體含量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通過(guò)生物發(fā)生和自噬降解之間平衡實(shí)現(xiàn)[11],生物發(fā)生時(shí)PEX11(Peroxisomal protein 11,過(guò)氧化物酶體膜蛋白11)等蛋白從頭合成過(guò)氧化物酶體,胞內(nèi)麥角固醇含量對(duì)過(guò)氧化物酶體增生具有重要作用。此前研究報(bào)道中,一般通過(guò)改變PEX11等過(guò)氧化物酶體膜蛋白表達(dá)量調(diào)節(jié)過(guò)氧化物酶體含量[21],尚未見(jiàn)利用胞內(nèi)麥角固醇含量調(diào)節(jié)過(guò)氧化物酶體含量方法。本研究結(jié)合ATG26和SUT2全新功能,通過(guò)調(diào)節(jié)胞內(nèi)麥角固醇含量,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)氧化物酶體含量,調(diào)控甲醇代謝全新模型。該模型中,SUT2促進(jìn)麥角固醇合成,進(jìn)而促進(jìn)過(guò)氧化物酶體增生和甲醇代謝;而ATG26將麥角固醇轉(zhuǎn)化為甾醇葡萄糖苷,減少胞內(nèi)麥角固醇含量和過(guò)氧化物酶體增生,減弱甲醇代謝。該模型建立豐富K.phaffii甲醇代謝機(jī)理研究,有助于進(jìn)一步完善畢赤酵母甲醇調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。此外,過(guò)表達(dá)SUT2和敲除ATG26均有利于提高AOX1酶活;即通過(guò)改造該模型,有利于增強(qiáng)基于甲醇利用途徑的PAOX1表達(dá)系統(tǒng),為工業(yè)上應(yīng)用PAOX1表達(dá)系統(tǒng)提供一種新思路。
本研究SUT2受甲醇誘導(dǎo)具體機(jī)制尚不清楚,仍需后續(xù)進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)新信號(hào)因子,進(jìn)一步闡明K.phaffii甲醇代謝調(diào)控機(jī)理。