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Microbial Cell Factories:SNF1过表达对冷冻胁迫下面包酵母转录和代谢的影响

2021年1月,海南大学林雪团队在《Microbial Cell Factories》上发表了题为“Effect of overexpression of SNF1 on the transcriptional and metabolic landscape of baker’s yeast under freezing stress”的研究论文,揭示了SNF1在酵母冷冻反应中的作用及调控机制。

亮点概述:

  • SNF1的过表达有助于提高面包酵母细胞的抗冻性和发酵能力,这可能与蛋白酶体的上调,碳源和保护分子的代谢改变以及细胞膜成分的改变有关。

  • SNF1过表达在冷冻前改变了多种氨基酸、甘油、棕榈酸、溶血磷脂酰胆碱(LysoPC)和溶血磷脂酰乙醇胺(LysoPE)的水平,从而赋予了细胞抗冻性。

  • 冷冻后,SNF1过表达可维持相对较高水平的脯氨酸,赖氨酸和甘油,并增加LysoPC和LysoPE的含量。

研究背景:

冷冻面团技术将面团的生产和烘焙过程分开,可以在加工时间和成本方面突破传统面食产品生产方法的限制,并可以确保面食产品的新鲜度和稳定性。但是,冷冻和解冻会破坏面包酵母的细胞活性,削弱其发酵能力,对最终面食产品的质量产生负面影响。酵母细胞通过启动基因表达的特殊程序和代谢调节来适应压力或环境条件的变化。但是,有关酵母对冰冻应激反应的信息仍然有限。

SNF1是真核生物中一种非常保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,参与许多细胞活动,如细胞周期、增殖、内吞、代谢和应激。先前的研究表明,SNF1催化亚基在各种环境胁迫的反应中发挥积极作用。然而,面包酵母SNF1催化亚基在冷冻中的作用尚不清楚。

为了探讨SNF1在面包酵母细胞抗冻性中的作用,研究人员构建了携带过表达SNF1的转化体ABY+S,与亲本菌株ABY3相比,在转化体ABY+S中SNF1的mRNA表达水平上调了45倍,同时,转化子和亲本菌株的生长曲线没有明显的变化,表明SNF1基因表达的增加不会影响面包酵母菌株的生长特性。

研究人员接着测定了细胞存活率和发酵能力,用以评价冷冻胁迫下面包酵母细胞SNF1过表达的效果。结果表明,SNF1的过表达提高了面包酵母的细胞抗性,改善了面包酵母在冷冻条件下的发酵特

菌株的发酵能力

为了探索SNF1过表达对冷冻过程中面包酵母整体基因表达的影响,研究人员接着进行了RNA序列分析和生物信息学分析。冷冻前后菌株显著差异表达基因的KEGG富集分析表明,SNF1的过表达会导致蛋白酶体途径的动态上调、调节过氧化物酶途径、碳代谢紊乱、以及细胞膜组分的改变,这些可能是SNF1过表达有助于提高面包酵母细胞的抗冻性和发酵能力的原因。

mRNA表达水平和转录组学分析

最后,研究人员使用非靶向UPLC-QTOF-MS/MS分析冷冻前后SNF1过度表达对面包酵母代谢物谱的影响。结果发现,SNF1过表达在冷冻前改变了亮氨酸,脯氨酸,丝氨酸,异亮氨酸,精氨酸,高瓜氨酸,甘油,棕榈酸,溶血磷脂酰胆碱(LysoPC)和溶血磷脂酰乙醇胺(LysoPE)的水平,从而赋予了细胞抗冻性。冷冻后,SNF1过表达可维持相对较高水平的脯氨酸,赖氨酸和甘油,并增加LysoPC和LysoPE的含量。

差异表达代谢物的分析

综上所述,本研究首次尝试从转录组和代谢组学的角度探讨SNF1在酵母冷冻反应中的作用,并解释SNF1在冷冻反应中的调控机制。这一发现将增加对SNF1蛋白激酶在酵母应激反应中调控作用的认识。同时,本研究结果丰富了面包酵母细胞对冷冻胁迫的细胞反应的知识,对今后的生化和分子生物学研究具有指导意义,有助于提高对酵母细胞应激反应的认识。

冷冻前后SNF1的调节作用

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