ROS参与酿酒酵母高盐胁迫下细胞凋亡的机理研究

Apoptosis, is an intrinsic cell death process that plays a crucial role in developing and maintaining health by rapidly eliminating aging, useless or other potentially dangerous cells, and it is important for homeostasis and embryonic development. Also, apoptosis is closely related with many human diseases. Saccharomyces cerevisiae is the eukaryotic organism and now can be as the apoptosis model. Salt stress has always been one of the most important stress factors in the world. We previously found that yeast cells lacking mitochondrial DNA (ρ0) underwent apoptotic cell death induced by salt stress, and the apoptosis mediated by cytochrome c released from mitochondria to cytoplasm. Here, on the basis of our previous work and from the points of ROS accumulation and cell wall damage, We are using the molecular and cell biology technologies such as spot assay, RNA-Seq, microscopical techniques, protein analysis et al to discuss the relationship between ROS accumulation and cell wall damage in ρ0 cells under salt stress, and to further explore the mechanism of ROS and cell wall related genes involved in the apoptosis induced by salt stress in ρ0 cells. This research will lay the foundation for the further analysis of molecular mechanism of yeast cell apoptosis under salt stress, and from that we can get much more understandings in the aging and stress resistance of living organisms.

细胞凋亡，在生物体的生长发育、清除衰老和无用细胞维持细胞内环境稳定方面发挥重要作用，并且与人类的多种疾病密切相关。酿酒酵母是真核模式生物，且作为细胞凋亡模式生物的条件已初步成熟。高盐环境一直是人们关注的重要胁迫因子之一。项目申请人前期工作发现酿酒酵母线粒体DNA缺失菌株ρ0在高盐胁迫下发生细胞凋亡，并且该凋亡由细胞色素c介导。本项目是在申请者原有工作的基础上，拟从ρ0菌株高盐胁迫下活性氧ROS上升及细胞壁损伤方面，利用平板点滴生长测定分析、RNA-Seq分析、各种显微镜技术、蛋白分析等分子细胞生物学方法，初步探讨ρ0菌株高盐胁迫下ROS与细胞壁之间的关系，并进一步阐明参与ρ0菌株高盐胁迫下细胞凋亡的ROS与细胞壁相关基因及其作用机理和路径。为更深层次地解析高盐胁迫下酵母细胞凋亡分子机制奠定基础，从而对生命体的发育衰老及抗逆性有了更进一步的认识。

高盐环境一直是人们关注的重要胁迫因子之一。酵母细胞壁在维持细胞形态、细胞完整性及细胞内环境方面发挥着重要作用。高盐胁迫引起酿酒酵母细胞凋亡，并对细胞壁造成一定的伤害。本项目研究发现酿酒酵母线粒体DNA缺失菌株ρ0的细胞壁在高盐胁迫下变厚，被一定程度的破坏，且对细胞壁干扰剂SDS极其敏感。同时，具有类似葡聚糖酶活性的细胞壁基因SCW11在转录水平上明显上调，敲除SCW11基因明显降低了高盐下ρ0细胞对SDS的敏感性，而超表达SCW11基因却导致ρ0细胞对SDS敏感性明显增强。另外，高盐下ρ0细胞内产生的大量ROS也进一步引起了细胞壁的损伤，增强了高盐下ρ0细胞对细胞壁干扰剂SDS的敏感性。. 另一大类重要逆境因子为木质纤维素原料在预处理过程中不可避免产生的呋喃、有机酸和酚类化合物，这些抑制物对后续的酶水解和生物基产品发酵会产生强烈的抑制作用。本研究以含有大量抑制物的玉米芯残渣水解液为原料，首先进行油脂酵母的筛选，获得一株高抗逆性的微生物油脂生产菌株皮状丝孢酵母T. cutaneum ACCC 20271，其所产油脂组成与植物油高度相似。然后以玉米浆为有机氮源，从有机氮源初始碳氮比（C/N）和初始糖浓度这两方面对其发酵过程进行优化，得到其最佳的初始C/N比为49.3；通过添加不同的纤维素酶量来确定初始糖浓度的变化，最终获得最高的油脂产量12.3 g/L和最大细胞干重38.4 g/L，为微生物油脂的生产提供了经济廉价的原料，同时也为解决玉米芯残渣的利用提供一种可行的方法。。随后我们对该油脂酵母进行了基因组测序，发现该基因组全长30.45 Mb，共5704个蛋白编码基因，为该酵母抑制物耐受性和降解路径以及油脂合成路径提供直接基因信息。. 本项目研究不仅有助于更深层次地解析高盐胁迫下酵母细胞凋亡的分子机制，还为生物体抗逆元器件的构建提供了很好的参考依据。同时对工业微生物抗逆性状的改造，抗癌药物的开发和抗逆作物的培育都有重要的理论和应用价值。