真菌的脂质代谢：从基因组到系统生物学

Lipid metabolism is highly significant since it associates in industrial production for foods and oleochemicals. Due to the lipid metabolism is involved in various metabolic pathways at different levels of regulation, it is a difficulty to identify key metabolic modules participating in lipid physiology. It is thusessential to apply bioinformatics and systems biology approaches for integrated analysis of lipid metabolism. Since the recent release of the genome sequences of Mucor circinelloides and Mortierella alpina, which serve as excellent oleaginous fungi, have allowed systems-level investigations of lipid physiology. In this research project, we therefore aim to develop genome-scale metabolic models of oleaginous fungi M. circinelloides and M. alpina based on the available data of gene sequences,functional annotations, biochemical pathways and experimental evidences supporting the presence of specific pathways. As scaffolds for integrated data analysis focusing on lipid metabolism,the developed metabolic models of these two fungi are hereafter used for comparative analysis to identify the consensus metabolic routes that may be involved in the oleaginicity and to distinguish some of their metabolic features existence for lipid accumulation. To the end, the frameworks for metabolic gene, enzyme, metabolic reaction inter-relationship between M. circinelloides and M. alpina are eventually generated. Our research project broadly impacts on industrial biotechnology for development of efficient fungal cell factories for producing lipids that are important not only for feedstock in oleochemicals, but also for food ingredients.

脂质代谢因其与食品工业和油脂化学工业紧密联系而显得尤为重要。由于脂质代谢在不同水平与多种代谢途径相关，很难确定参与脂质代谢的关键途径。因此运用生物信息学和系统生物学方法对脂质代谢过程进行综合分析，确定脂质代谢的关键途径是很必要的。最近公布的两种脂质毛霉，即卷枝毛霉和高山被孢霉的基因组序列为系统分析脂质生理学提供了条件。本项目将根据卷枝毛霉和高山被孢霉的基因序列、功能注释、生化途径和与特殊途径相关的实验证据等资料建立这两种脂质真菌的全基因组代谢模型；通过比较分析这两种建立在对脂质代谢综合分析基础上的真菌代谢模型来鉴定可能与产脂能力相关的相同代谢途和区别二者在脂质积累方面的代谢特点；最后建立卷枝毛酶和高山被孢霉之间脂质代谢相关基因、酶和代谢反应相互关系的框架。本研究对发展利用微生物高效生产既可以作为油脂化学原料由可以作为食品原料的微生物油脂工业生物技术有重要参考价值。

脂质代谢因其与食品工业和油脂化学工业紧密联系而显得尤为重要。由于脂质代谢在不同水平与多种代谢途径相关，很难确定参与脂质代谢的关键途径。因此运用生物信息学和系统生物学方法对脂质代谢过程进行综合分析，确定脂质代谢的关键途径是很必要的。卷枝毛霉 作为一种产脂真菌在食品、 医药、 能源和工业应用中具有很大的潜力。尽管该真菌完整的基因组序列已经被解析，但是其在不同的培养条件下的生长、代谢和产脂等信息还需要采用统计模型来解析。本项目中，我们展示了命名为”iWV1213”的基因组规模的代谢模型，该模型是通过应用在COBRA2工具包中的一个SBML模型对前期发表的卷枝毛霉的网络进展进行注释而得到。该模型由1213个基因，1413个代谢产物和1326个代谢反应组成，分布在5个代谢区，分别为细胞膜、 细胞质、 线粒体、 过氧化物酶体和细胞外空间。我们的研究发现，模型iWV1213能够合理预测卷枝毛霉在以葡萄糖或者半乳糖作为唯一碳源的媒体中的增长率。该模型能准确地预测在不同碳、 氮、 氧源通过通量平衡分析 (FBA) 和表型相平面 (PhPP)分析栽培条件下的生长行为。通过将模型iWV1213与高山被孢霉（iCY1106）和解脂耶氏酵母（iYL619_PCP）的基因组规模模型进行比较网络分析，结果显示模型iWV1213拥有相对数值较高的碳水化合物代谢反应，可能有助于它在养分利用率的多功能性。此外，通过使用助焊剂变异性分析 (FVA)，接合菌油质模型中独特及共有的活性反应结果揭示了一整套基因/酶候选物作为细胞改善代谢工程目标。因此，模型iWV1213为在多组学水平分析获取卷枝毛霉的生长行为和产脂等信息提供了强有力的代谢工程工具，从而使其作为脂质细胞工厂的功能得到充分应用。