组学工具解析斜卧青霉纤维素酶系合成调控网络机制研究

利用纤维素酶降解木质纤维素生产液体燃料和化学品，是克服资源、环境危机的战略举措。降解天然木质纤维素需要的酶系组成及其合成调控网络非常复杂，使用传统技术难以研究。我们基本完成了对斜卧青霉原始菌株和工业高产纤维素酶突变株的全基因组测序，拟在此基础上，应用组学技术筛选纤维素酶表达调控网络中的候选关键基因/蛋白；与表型相关联，对候选基因/蛋白进行功能验证和评价，确定它们在调控网络中的定位和功能；解析哪些基因或通路的改变导致了突变株表型（高产纤维素酶、抗降解物阻遏）的变化，从而阐明纤维素酶合成的诱导机制、阻遏机理和高产纤维素酶突变的分子基础。

利用纤维素酶将天然木质纤维素降解成为可发酵性糖，是实现木质纤维素高效利用，生产液体燃料和化学品的关键。阐明纤维素酶合成的调控网络，将为菌株的遗传改造提供合理的靶点，有助于提高酶的产量和降低成本，具有重要的理论和实践意义。 . 按照基金申请书的计划，项目突破以往在纤维素酶合成调控研究工作中将纤维素酶调控和某一基因或调控因子单独研究的局限，采用遗传学、生理学、功能基因组学、转录组学、蛋白质组学等多学科相互交叉和渗透的途径，定位于对草酸青霉（原斜卧青霉）游离纤维素酶系合成调控机理的解析，在诱导物形成和转运、信号传递、基因转录水平等三个调控层次进行了深入研究，取得了以下重要结果：（1）对草酸青霉的基因组结构、转录和分泌特征得到了全新认识：率先建立了草酸青霉全基因组序列图谱，解析了草酸青霉基因组的结构与特征；整合了其基因组、转录组、分泌组等组学数据，注释和规模发掘了大量功能基因。（2）定位和功能解析了三个纤维寡糖转运蛋白CdtC，CdtD与CdtG，证明其参与了纤维素酶基因表达的诱导物形成和转运。（3）功能解析了参与诱导物生成的重要胞内β-葡萄糖苷酶BGL2。BGL2通过水解胞内纤维寡糖，限制纤维素酶基因的表达。通过敲除BGL2的基因，可积累胞内纤维二糖，诱导木质纤维素酶基因的高水平表达。（4）阐明糖链修饰的多样性造成了纤维素酶Cel7A各亚型具有不同的降解性质和蛋白稳定性。（5）首次揭示G蛋白亚基G3通过调节cAMP浓度，进而影响纤维素酶激活因子XlnR以及淀粉酶激活因子AmyR的转录水平，实现对纤维素酶和淀粉酶合成的反向调控作用。（6）首次阐明了酪蛋白激酶2（CK2）具有参与纤维素酶和淀粉酶合成正向调控的功能，以及其通过调控转录因子BrlA指导草酸青霉无性发育的功能。（7）建立由470个突变株组成的草酸青霉转录调控蛋白单一基因缺失突变株库，发现了12个参与了木质纤维素酶合成表达调控的重要转录调控蛋白。（8）首次发现激活因子ClrB与阻遏因子CreA协同调控草酸青霉纤维素酶的表达。（9）首次通过改变Bgl2与ClrB、CreA的组合调控，提高了草酸青霉纤维素酶活力近30倍，超过了现有工业生产菌株的水平。研究工作中阐明的纤维素酶基因合成相关的诱导物形成和转运机制、信号传递机制、转录调控蛋白的诱导和阻遏机制，将为菌株的遗传改造提供合理靶点，推动我国木质纤维素生物技术的发展。