趙心清,姜如嬌,李寧,楊晴,白鳳武
大連理工大學(xué)生物科學(xué)與工程系,大連 116024
利用SPT3的定向進(jìn)化提高工業(yè)釀酒酵母乙醇耐受性
趙心清,姜如嬌,李寧,楊晴,白鳳武
大連理工大學(xué)生物科學(xué)與工程系,大連 116024
利用對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的定向進(jìn)化可對(duì)多基因控制的性狀進(jìn)行有效的代謝工程改造。本研究對(duì)釀酒酵母負(fù)責(zé)脅迫相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄的SAGA復(fù)合體成分SPT3編碼基因進(jìn)行易錯(cuò)PCR隨機(jī)突變,并研究了SPT3的定向進(jìn)化對(duì)釀酒酵母乙醇耐性的影響。將SPT3的易錯(cuò)PCR產(chǎn)物連接改造的pYES2.0表達(dá)載體并轉(zhuǎn)化釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae 4126,構(gòu)建了突變體文庫(kù)。通過(guò)篩選在高濃度乙醇中耐受性提高的突變株,獲得了一株在10%(V/V)乙醇中生長(zhǎng)較好的突變株M25。該突變株利用125 g/L的葡萄糖進(jìn)行乙醇發(fā)酵時(shí),終點(diǎn)乙醇產(chǎn)量比對(duì)照菌株提高了11.7%。由此表明,SPT3是對(duì)釀酒酵母乙醇耐性進(jìn)行代謝工程改造的一個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄因子。
定向進(jìn)化,乙醇耐性,SPT3,釀酒酵母,易錯(cuò)PCR
Abstract:Directed evolution of transcription factors can be employed to effectively improve the phenotypes which are controlled by multiple genetic loci.In this study, we used error-prone PCR for the directed evolution of SPT3, which is the component of yeast Spt-Ada-Gcn5-acetyltransferase(SAGA)complex responsible for the transcription of stress-related genes,and studied its effect on the improvement of ethanol tolerance.Mutant library was constructed by ligating the error-prone PCR products with a modified pYES2.0 plasmid, and the expression plasmids were subsequently transformed to yeast industrial strain Saccharomyces cerevisiae 4126.One mutant strain M25 showing superior growth in presence of 10% ethanol was selected.M25 produced 11.7% more ethanol than the control strain harboring the empty vector when 125 g/L glucose was used as substrate.This study revealed that SPT3 is an important transcription factor for the metabolic engineering of yeast ethanol tolerance.
Keywords:directed evolution, ethanol tolerance, SPT3, Saccharomyces cerevisiae, error-prone PCR
利用易錯(cuò)PCR(Error prone PCR)或DNA 改組(DNA shuffling)對(duì)酶分子編碼基因進(jìn)行的定向進(jìn)化,可獲得催化效率提高的酶蛋白,并改善酶的一系列性質(zhì),如穩(wěn)定性[1-2]、底物特異性[3]等,是蛋白質(zhì)工程的重要研究工具。近年來(lái),定向進(jìn)化技術(shù)也成功應(yīng)用于轉(zhuǎn)錄因子等控制細(xì)胞全局轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)蛋白的突變,并在酵母菌[4]、乳桿菌[5]等微生物的代謝工程改造中得到成功應(yīng)用。酵母菌的乙醇耐受性與多個(gè)基因有關(guān)[6],因而通過(guò)傳統(tǒng)的單基因敲除或過(guò)量表達(dá)很難達(dá)到提高酵母菌乙醇耐性的目的。2006年Alper等報(bào)道了通過(guò)全局轉(zhuǎn)錄工程(Global transcriptional machinery engineering,gTME)的方法提高酵母菌乙醇耐性的開(kāi)創(chuàng)性研究,為酵母菌乙醇耐性的代謝工程操作提供了新的思路[4]。對(duì)乙醇耐性提高的突變菌株中SPT15蛋白的突變分析表明,其編碼蛋白有3個(gè)氨基酸殘基的突變,而對(duì)這 3個(gè)氨基酸殘基位點(diǎn)的單獨(dú)定點(diǎn)突變并沒(méi)有起到同樣的效果,因此作者提出,這 3個(gè)氨基酸同時(shí)突變的結(jié)果可能影響了SPT15與SPT3蛋白的結(jié)合,因?yàn)檫@3個(gè)突變?cè)赟PT3基因敲除突變體中沒(méi)有起到同樣的突變效果[4]。
SPT3是酵母菌轉(zhuǎn)錄起始共激活因子復(fù)合體SAGA(Spt-Ada-Gcn5-acetyltransferase)的成分之一,負(fù)責(zé)引導(dǎo)TATA結(jié)合蛋白TBP(TATA-binding protein)結(jié)合到特定的啟動(dòng)子區(qū)[7],近年的研究發(fā)現(xiàn),SAGA復(fù)合體與多種環(huán)境脅迫因素相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄有關(guān),這些脅迫因素包括高溫、營(yíng)養(yǎng)缺乏、DNA損傷等[8]。而SPT3的功能還不僅限于SAGA復(fù)合體成分,研究表明SPT3還與Ccr4-Not 復(fù)合體的功能有關(guān)[9],而這個(gè)復(fù)合體可影響酵母細(xì)胞內(nèi)多種生理代謝過(guò)程,包括影響乙醇脫氫酶ADH2基因[10]等可能與乙醇發(fā)酵相關(guān)的基因的表達(dá)。此外,SPT3還參與調(diào)控酵母菌 NADP-特異性谷氨酸脫氫酶基因GDH1的調(diào)控,從而影響細(xì)胞內(nèi)的輔酶平衡[11]。因此,SPT3基因在酵母細(xì)胞生長(zhǎng)代謝以及乙醇合成等多方面生理過(guò)程中具有重要的調(diào)節(jié)作用,而且這種調(diào)節(jié)作用不局限于已報(bào)道的與SPT3與SPT15的結(jié)合,SPT3的其他功能也可能對(duì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄機(jī)制產(chǎn)生重要影響。
國(guó)內(nèi)學(xué)者利用gTME技術(shù),對(duì)SPT15基因進(jìn)行定向進(jìn)化,獲得了高效利用木糖并共代謝木糖和葡萄糖的釀酒酵母菌株[12],但對(duì) SPT3在乙醇耐性中的研究還沒(méi)有報(bào)道。在利用酵母單基因缺失突變體研究與乙醇耐性相關(guān)基因的報(bào)道中,發(fā)現(xiàn)SPT3缺失突變體對(duì)乙醇的敏感性提高,暗示了SPT3在釀酒酵母乙醇耐性中的重要作用[13]。本研究通過(guò)對(duì) SPT3編碼基因進(jìn)行易錯(cuò)PCR,構(gòu)建了突變體文庫(kù),并研究了SPT3的定向進(jìn)化對(duì)釀酒酵母乙醇耐性的影響,證明了SPT3的突變可提高釀酒酵母的乙醇耐受性。
大腸桿菌E.coli DH5α、工業(yè)釀酒酵母S.cerevisiae 4126[14]為本實(shí)驗(yàn)室保存。釀酒酵母菌株S288C由瑞典 Chalmers大學(xué) Jens Nielson教授惠贈(zèng)。質(zhì)粒pFA6a-kanMX4由清華大學(xué)陳國(guó)強(qiáng)教授惠贈(zèng)。大腸桿菌-酵母穿梭載體pYES2.0由大連理工大學(xué)李文利副教授惠贈(zèng)。
大腸桿菌用 LB 培養(yǎng)基(g/L:酵母粉 5,胰蛋白胨10,NaCl 10)培養(yǎng),轉(zhuǎn)化子培養(yǎng)添加50 μg/mL氨芐青霉素。釀酒酵母轉(zhuǎn)化子用 YPD培養(yǎng)基培養(yǎng)(g/L:酵母粉 4,蛋白胨 3,葡萄糖 20),液體培養(yǎng)時(shí)添加 100 μg/mL G418,固體培養(yǎng)時(shí)添加 300 μg/mL G418。乙醇發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L:酵母粉5,蛋白胨4,葡萄糖125)。PCR相關(guān)試劑、T4 DNA連接酶、DNA快速連接試劑盒、限制性內(nèi)切酶EcoR I、BamH I、pMD 20-T Vector均為寶生物工程(大連)有限公司的產(chǎn)品。限制性內(nèi)切酶Nde I、Nhe I購(gòu)自NEB公司。DNA純化試劑盒為GE公司產(chǎn)品。凝膠回收試劑盒、抗生素購(gòu)自Sigma公司。
釀酒酵母S288C基因組DNA的提取參考文獻(xiàn)[15]的方法進(jìn)行,作為擴(kuò)增SPT3基因的模板。
本研究中所用的引物序列見(jiàn)表 1。引物 Kan-F/Kan-R用于擴(kuò)增G418抗性標(biāo)記基因,在正向引物中加入Nhe I酶切位點(diǎn),反向引物中加入Nde I酶切位點(diǎn)。以質(zhì)粒pFA6a-kanMX4為模板,擴(kuò)增產(chǎn)物連接到pMD 20-T Vector,構(gòu)建pMD20-T Kan。再分別對(duì)pYES2.0和pMD20-T Kan進(jìn)行Nde I/Nhe I雙酶切,凝膠回收5.7 kb的pYES2.0載體骨架片段和1.5 kb的pMD20-T 的Kan片段并連接,構(gòu)建pYES2.0骨架上引入G418抗性基因的pRJ01。
表1 本研究所用的引物Table 1 Primers used in this study
采用引物SPT3-F/SPT3-R(分別帶有BamH I和EcoR I酶切位點(diǎn))擴(kuò)增得到SPT3基因,并連接到pMD 20-T Vector,得到pRJ02質(zhì)粒。再利用EcoR I/BamH I酶切 pRJ01和 pRJ02,構(gòu)建 pYES 2.0骨架上含有SPT3和G418抗性基因的pRJ03。利用引物PGK-F/PGK-R(分別帶有 Age I和 BamH I酶切位點(diǎn))擴(kuò)增PGK啟動(dòng)子,將啟動(dòng)子連接入pRJ03,獲得SPT3表達(dá)載體pRJ04。
易錯(cuò) PCR突變反應(yīng)體系如下:SPT3-F/SPT3-R(10 pmol/L 各 1 μL,10× buffer(Mg2+free)2.5 μL,Taq 酶 0.1 μL,dNTP Mixture(2.5 mmol/L)2 μL,pRJ02 2 μL,MnCl2(5 mmol/L)1 μL,MgCl2(25 mmol/L)7 μL,ddH2O 補(bǔ)充至 25 μL。PCR 擴(kuò)增條件為 94℃ 30 s;94℃ 30 s,54℃ 30 s,72℃ 1.5 min,30個(gè)循環(huán);72 ℃ 1 min 。將獲得的載體混合物經(jīng)BamH I和EcoR I酶切,連接入經(jīng)同樣酶切處理的pRJ04,構(gòu)建SPT3表達(dá)載體的易錯(cuò)PCR文庫(kù),并轉(zhuǎn)化感受態(tài)E.coli DH5α,構(gòu)建突變體基因文庫(kù)。提取突變基因文庫(kù)的質(zhì)粒,將混合質(zhì)粒用電擊轉(zhuǎn)化法轉(zhuǎn)化釀酒酵母S.cerevisiae 4126,獲得的酵母轉(zhuǎn)化子構(gòu)成酵母突變體文庫(kù),共獲得429個(gè)酵母菌落。將pRJ01空載體轉(zhuǎn)化4126酵母菌株,獲得酵母對(duì)照菌株。
利用在高濃度乙醇中培養(yǎng)的方法富集乙醇耐性提高的突變體。將酵母突變體文庫(kù)平板上的克隆用適量YPD液體培養(yǎng)基洗入搖瓶,于YPD液體培養(yǎng)基中30℃、150 r/min培養(yǎng)16 h。以2%接種量接種于含10%乙醇的YPD中,30℃、150 r/min培養(yǎng)24 h,然后取 1 mL培養(yǎng)物轉(zhuǎn)接于 50 mL含 12%乙醇的YPD中,培養(yǎng)24 h后稀釋涂平板。2 d后生長(zhǎng)出來(lái)的菌落進(jìn)行進(jìn)一步的篩選,挑選較大的單菌落在試管中用3 mL YPD液體培養(yǎng)基,30℃、150 r/min培養(yǎng)16 h,測(cè)量其OD600,并按照相同起始OD600值接種于含10%乙醇的YPD液體培養(yǎng)基,48 h后測(cè)量其OD600吸收值。取在10%乙醇中生長(zhǎng)好于對(duì)照的突變體,按2%的接種量接種于250 mL搖瓶(內(nèi)有50 mL含10%乙醇的YPD)中,控制起始OD值一致,48 h后測(cè)量OD600,比較其生長(zhǎng)情況,與含有空載體的對(duì)照菌株相比在10%乙醇中生長(zhǎng)最好的為乙醇耐性提高的突變體。
將在YPD斜面上活化培養(yǎng)后的菌株接種于乙醇濃度為10%的YPD液體培養(yǎng)基中,150 r/min、30℃條件下培養(yǎng),定期測(cè)量菌體OD600,繪制生長(zhǎng)曲線,以菌體 OD值表征乙醇耐性,同時(shí)檢測(cè)在不含有乙醇的YPD液體培養(yǎng)基中各菌株的生長(zhǎng)情況。
將菌株在YPD斜面上活化培養(yǎng)后接種于發(fā)酵培養(yǎng)基,150 r/min、30℃條件下培養(yǎng)。定時(shí)取樣測(cè)量發(fā)酵液的乙醇濃度。乙醇濃度的檢測(cè)用HPLC方法,參考文獻(xiàn)[16]。
菌株的生長(zhǎng)測(cè)定和乙醇發(fā)酵實(shí)驗(yàn)均重復(fù)至少 2次,每次實(shí)驗(yàn)至少有2個(gè)平行,結(jié)果取測(cè)試的平均值,所有結(jié)果都具有可重復(fù)性。
突變體在含有YPD的斜面?zhèn)鞔?,?8 h轉(zhuǎn)接1次,共傳代 9次,用傳代后的菌種進(jìn)行生長(zhǎng)和發(fā)酵實(shí)驗(yàn),并和傳代初的菌種進(jìn)行比較,研究其遺傳穩(wěn)定性。
雖然 SPT3的缺失導(dǎo)致釀酒酵母在乙醇中的生長(zhǎng)受到抑制[13],但對(duì)其過(guò)量表達(dá)后乙醇耐性的變化尚未見(jiàn)報(bào)道。為進(jìn)一步確定SPT3與釀酒酵母乙醇耐性的關(guān)系,首先比較了SPT3過(guò)量表達(dá)菌株的生長(zhǎng)和對(duì)高濃度乙醇的反應(yīng)。SPT3過(guò)量表達(dá)菌株的生長(zhǎng)與含有空載體的對(duì)照菌株基本一致,在10%乙醇中的生長(zhǎng)也與對(duì)照無(wú)明顯差別(結(jié)果未顯示),說(shuō)明過(guò)量積累SPT3對(duì)酵母菌的生長(zhǎng)和代謝沒(méi)有明顯影響。進(jìn)一步研究了 SPT3突變基因?qū)︶劸平湍妇闟.cerevisiae 4126乙醇耐性的影響,在易錯(cuò)PCR突變體文庫(kù)中隨機(jī)挑取2個(gè)突變體M1和M2進(jìn)行SPT3突變基因測(cè)序,并研究了2個(gè)突變體在10%乙醇中的生長(zhǎng)情況。突變體在YPD培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)與對(duì)照類似,但在10%的乙醇中,突變體的生長(zhǎng)明顯滯后于對(duì)照菌株,體現(xiàn)在延遲期的延長(zhǎng)和最終生物量的明顯減少,測(cè)序結(jié)果表明,M1突變體中SPT3基因有6個(gè)氨基酸突變,其中 253位的Lys突變?yōu)榻K止密碼,M2突變株同樣具有6個(gè)氨基酸突變位點(diǎn),分別分散在SPT3的N端和C端不同區(qū)域。上述結(jié)果表明,SPT3在酵母菌乙醇耐性中具有重要作用,其隨機(jī)突變后有可能篩選到乙醇耐性提高的突變體。
對(duì)SPT3的易錯(cuò)PCR突變體文庫(kù)中的單菌落進(jìn)行乙醇耐性的富集篩選,在初篩中獲得了11株乙醇耐性高于對(duì)照的突變體,在搖瓶復(fù)篩中獲得了乙醇耐性提高最明顯的突變體M25。該突變體在YPD液體培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)與對(duì)照相似,但在10%乙醇中的生長(zhǎng)明顯優(yōu)于對(duì)照株(圖1),尤其在對(duì)數(shù)期差異最明顯,36 h的OD600值是對(duì)照的2.62倍。
由于文獻(xiàn)報(bào)道 SAGA復(fù)合體還與溫度脅迫有關(guān)[8],本實(shí)驗(yàn)在不同培養(yǎng)溫度下進(jìn)行了突變體文庫(kù)的篩選,但突變體文庫(kù)在37℃、40℃溫度下未篩選到耐高溫的突變體,將耐乙醇的突變體在不同高溫條件下(37℃、40℃)培養(yǎng),也未發(fā)現(xiàn)耐溫性的明顯變化,說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)條件下未得到溫度耐性改變的突變體,SPT3的突變能否引起酵母菌溫度耐性的提高有待進(jìn)一步研究。
對(duì)突變株M25和對(duì)照菌株的乙醇發(fā)酵實(shí)驗(yàn)表明,32 h后,突變株和野生型均將培養(yǎng)基中的糖耗盡(數(shù)據(jù)未顯示),細(xì)胞生長(zhǎng)無(wú)明顯差別(圖2A),但突變株M25的發(fā)酵終點(diǎn)乙醇產(chǎn)量略高于對(duì)照株(圖2B),對(duì)照菌株36 h發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇為48.0 g/L,而突變株為53.6 g/L,乙醇體積產(chǎn)率達(dá)到1.675 g/(L·h),比對(duì)照株提高了11.7%。突變體在多次傳代后檢測(cè)遺傳穩(wěn)定性,證明發(fā)酵性能比較穩(wěn)定。
對(duì)突變株 M25中的 SPT3基因進(jìn)行測(cè)序結(jié)果表明,SPT3蛋白的337個(gè)氨基酸中,共8處氨基酸殘基發(fā)生了突變,分別為:Ser18Pro、Ile59Thr、Thr104Ser、Lys135Arg、Arg177Gly、Lys179Glu、Cys199Ser、Asp214Gly。其中個(gè)別殘基的突變,如18、59、177、214位氨基酸的突變改變了側(cè)鏈的極性,可能造成蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的變化,從而影響SPT3與其他蛋白復(fù)合體成分的結(jié)合,從而影響多個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄。對(duì)突變位點(diǎn)的氨基酸進(jìn)行定點(diǎn)突變,并研究單獨(dú)或組合定點(diǎn)突變對(duì)乙醇耐性的影響,可獲得SPT3蛋白中對(duì)乙醇耐性起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基的信息。
圖1 突變體M25與對(duì)照菌株在10%乙醇中生長(zhǎng)的差別Fig.1 Growth difference of mutant strain M25 in 10% ethanol comparing with that of control.
圖2 突變體M25和對(duì)照菌發(fā)酵過(guò)程中細(xì)胞生長(zhǎng)(A)和乙醇產(chǎn)量(B)比較Fig.2 Cell growth(A)and ethanol production(B)of mutant M25 comparing with that of control.
2006年Stephanopoulos研究小組首次報(bào)道通過(guò)全局轉(zhuǎn)錄工程(gTME)提高酵母菌的乙醇耐性,發(fā)現(xiàn)了酵母 RNA聚合酶 II轉(zhuǎn)錄復(fù)合體 TFIID成分SPT15中3個(gè)氨基酸的突變提高了酵母菌的乙醇耐性和乙醇產(chǎn)量[4]。他們采用的是低拷貝載體和弱啟動(dòng)子,目前還不清楚突變基因拷貝數(shù)的多少和啟動(dòng)子的強(qiáng)弱對(duì)突變體生理特性的影響,以及SPT3的突變頻率對(duì)乙醇耐性的影響。進(jìn)一步的研究將利用多種表達(dá)載體和啟動(dòng)子活性研究對(duì)突變文庫(kù)特性的影響,已經(jīng)證明提高易錯(cuò)PCR體系的模板量可降低突變頻率,未來(lái)的研究將深入揭示SPT3的突變?cè)卺劸平湍敢掖寄托灾械淖饔谩?/p>
Madison和 Winsto研究了乳酸克魯維酵母Kluyveromyces lactis、裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe和Clavispora opuntiae中的SPT3,證明了在不同的酵母中 SPT3的功能是保守的[17]。目前還不清楚導(dǎo)致釀酒酵母乙醇耐性提高的 SPT3的突變是否也可以提高其他酵母的乙醇耐受性和脅迫耐受性。BLAST搜索顯示,多種低等真核生物都有SPT3同源的蛋白,在人類基因組中也有與SPT3部分同源的蛋白[18],對(duì)這些蛋白與各種脅迫因素的深入研究將進(jìn)一步揭示SPT3對(duì)不同生物細(xì)胞代謝的深刻影響。
在本文的準(zhǔn)備過(guò)程中,Hou等報(bào)道了在工業(yè)酵母 S.cerevisiae TH-AADY中過(guò)量表達(dá) SPT3和SPT15突變基因提高酵母菌乙醇耐性的結(jié)果[18],在他們的研究中,過(guò)量表達(dá)SPT3提高了酵母菌的乙醇耐受性,與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不一致,推測(cè)SPT3的作用可能和酵母菌的遺傳背景有關(guān)。而本研究首次報(bào)道了利用SPT3的定向進(jìn)化提高酵母菌的乙醇耐受性,為構(gòu)建乙醇耐性提高的工業(yè)酵母菌株奠定了基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)中 SPT3的定向進(jìn)化得到了多株乙醇耐性提高的突變體,但多數(shù)突變體乙醇發(fā)酵性能沒(méi)有明顯變化。進(jìn)一步優(yōu)化突變頻率,調(diào)節(jié)載體拷貝數(shù)和調(diào)節(jié)啟動(dòng)子活性,可能獲得乙醇耐性、滲透耐性、高溫耐性和乙醇產(chǎn)量均提高的新一代工業(yè)乙醇酵母。
利用釀酒酵母 SPT3基因的易錯(cuò) PCR,建立突變體文庫(kù),獲得了乙醇耐性提高的釀酒酵母突變體,證明 SPT3基因可用于釀酒酵母乙醇耐性的代謝工程改造,本研究提供了利用全局轉(zhuǎn)錄工程(gTME)技術(shù)提高酵母菌乙醇耐性的又一個(gè)靶點(diǎn)基因。進(jìn)一步的研究將揭示突變株乙醇耐性提高的分子機(jī)制,為構(gòu)建乙醇耐受性和其他脅迫耐性提高的工業(yè)酵母,提高乙醇發(fā)酵的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平奠定了基礎(chǔ)。
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Improving ethanol tolerance of Saccharomyces cerevisiae industrial strain by directed evolution of SPT3
Xinqing Zhao, Rujiao Jiang, Ning Li, Qing Yang, and Fengwu Bai
Department of Bioscience and Bioengineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
Received:October 16, 2009;Accepted:December 15, 2009
Supported by:Natural Science Foundation of China(No.30500011), National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(No.2007AA10Z358).
Corresponding author:Xinqing Zhao.Tel: +86-411-84706308; Fax: +86-411-84706329; E-mail: xqzhao@dlut.edu.cn國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.30500011),國(guó)家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(No.2007AA10Z358)資助。