组氨酸激酶HisK2301调节红冬孢酵母多不饱和脂肪酸低温合成的分子机理研究

Studies have shown that two-component signal transduction systems in protokaryotes could regulate the polyunsaturated fatty acid (PUFA) biosynthesis and promote the cell adaptation at low tempertarue, but similar mechanisms have not been reported in fungi. Our previous data indicated that PUFA is involved with cold adaptation of an oleaginous yeast strain—Rhodosporidium kratochvilovae YM25235. Moreover, a histidine kinase gene HisK2301 could improve the cell growth and the PUFA biosynthesis at low temperature in R. kratochvilovae YM25235. To uncover the histidine kinase HisK2301-mediated signal transduction pathway and the regulation mechanism specifically responsible for the PUFA biosynthesis at low temperature in R. kratochvilovae YM25235, multiple research techniques will be used to study the components of HisK2301-involved two-component signal transduction system, the involvement of HOG MAPK cascade in signal transduction pathway in response to low temperature, and the transcription factor and regulatory proteins specifically regulating the transcription of Δ12-fatty acid desaturase gene at low temperature in R. kratochvilovae YM25235. Based on these results, the signal transduction pathway responsible for the regulation of PUFA biosynthesis at low temperature in R. kratochvilovae YM25235 will be elucidated, and the regulation mechanism of PUFA biosynthesis at low temperature will also be revealed. This study will further contribute to uncovering the regulation mechanism of PUFA biosynthesis in fungi and providing a basis for future research and applications in PUFA production.

细菌中已经证明双组分信号转导系统能调节多不饱和脂肪酸（PUFA）低温合成并促进菌株的低温生长适应性，但目前在真菌中仍未见报道。我们前期的研究结果表明PUFA与产油酵母—红冬孢酵母YM25235的低温生长适应性有关，而且组氨酸激酶基因HisK2301能促进菌株的低温生长和PUFA的低温合成。为了揭示红冬孢酵母YM25235中组氨酸激酶HisK2301介导的PUFA低温合成调节的信号转导途径和调节机制，本项目结合多种技术研究组氨酸激酶HisK2301相关的双组分信号转导系统的组成、低温信号转导途径与HOG MAPK级联系统的关系以及与Δ12-脂肪酸脱氢酶基因低温转录调节相关的转录因子和调节蛋白，阐明红冬孢酵母YM25235中PUFA低温合成调节的信号转导途径，揭示低温条件下PUFA合成的调节机制。项目研究将有助于进一步揭示真菌中PUFA合成的调节机制，为今后生产PUFA的研究与应用奠定基础。

多不饱和脂肪酸（PUFA）与微生物低温生长适应性有关，且细菌中已经证实双组分信号转导系统能调节PUFA低温合成并促进菌株的低温生长适应性，但真菌中仍未见类似报道。我们前期的研究结果也证明PUFA与红冬孢酵母（Rhodosporidium kratochvilovae）YM25235的低温生长适应性有关，但具体的信号转导途径和调节机理仍不清楚。.基因过表达和基因敲除的分析结果表明组氨酸激酶基因HisK2301和HOG-MAPK信号途径中关键基因RKHog1与YM25235菌株的高盐、高渗透压、低温胁迫的生长适应性以及PUFA的低温合成调节有关，而且还与低温条件下YM25235菌株中甘油和类胡萝卜素的合成调节有关，甘油和类胡萝卜素的低温合成调节也有助于YM25235菌株的低温生长适应性。酵母双杂交分析表明HisK2301-RKYpd1-RKSsk1是YM25235菌株中感应低温胁迫并传递低温信号来调节PUFA、甘油和类胡萝卜素合成相关的双组分信号转导系统，而且低温胁迫信号可能进一步通过RKSsk1和RKSsk2蛋白之间相互作用向内传递给HOG-MAPK信号途径。.DNA pull-down 分析初步揭示RKD12基因低温转录相关的潜在调节蛋白，但未揭示转录因子信息。通过基因过表达和酵母单杂交的分析结果表明，胁迫响应相关的锌指转录因子基因RKMsn4同样与YM25235菌株中PUFA、甘油和类胡萝卜素的低温合成调节以及菌株的低温生长适应性有关，也与菌株的高盐和高渗透压胁迫适应性有关，这与HisK2301和RKHog1基因的分析结果一致。此外，分析显示RKMsn4蛋白与RKHog1蛋白具有相互作用，表明低温胁迫信号进一步由HOG-MAPK信号途径传递给RKMsn4蛋白。.综上所述，YM25235菌株中双组份系统HisK2301-RKYpd1-RKSsk1感应低温信号，向内传递给 HOG-MAPK途径并最终传递给RKMsn4，引起PUFA、甘油和类胡萝卜素合成相关基因的转录调节，促进了菌株的低温生长适应性，这在基因敲除和基因过表达菌株中HisK2301、RKHog1和RKMsn4基因的转录水平变化分析获得证实。本研究初步阐明了红冬孢酵母YM25235中PUFA、甘油和类胡萝卜素低温合成调节的信号转导途径和调节机制及其与菌株低温生长之间的关系，为进一步理论和应用研究打下了基础。