高核酸酿酒酵母RNA合成的分子遗传机制研究

Saccharomyces cerevisiae with high nucleic acid content is a key factor in the industry of yeast extract. Improve the RNA content in S. cerevisiae has been an important part of yeast extract industry. We previously obtained a strain of S. cerevisiae NY-1 with high RNA content by mutagenesis, which the cellular RNA content can reach 14%. This project intends to annotate and verificate the mutant genes , differentially expressed gene and protein through genomic sequence analysis, transcriptome analysis and proteome analysis. A series of strains with site-directed mutagenesis,gene overexpression and deletion were constructed, and the differences on the metabolism of RNA will be monitored. And then the metabolic mechanism of higher RNA in S. cerevisiae NY-1 will be better understanded. The metabolism of RNA in S. cerevisiae will be controlled and optimized by promoter replacement and a seamless precise genome editing system. This step results in the more RNA production of the excellent industrial S. cerevisiae strains. The results will reveal the regulatory pathways of high levels of RNA synthesis in S. cerevisiae, and complete the metabolism of high content of synthetic RNA. The results will be also of great importance to both breeding of high RNA content S. cerevisiae species. NY-1 mutant is an excellent high RNA content industrial yeast species, which has a good potential for industrial production. This research will provide theoretical basis for industrial application.

高核酸酿酒酵母的选育是开发高品质酵母抽提物产品的关键因素，提高酿酒酵母胞内RNA含量的研究一直是酵母抽提物产业研究的重要内容之一。我们前期通过诱变获得了一株RNA含量14%左右的高核酸酿酒酵母NY-1。本课题拟通过对NY-1进行全基因组测序、转录组学和蛋白质组学分析，对突变基因、表达差异的基因与蛋白进行标注和功能验证。构建一系列基因定点突变、过表达和缺失菌株，结合生长代谢情况分析，揭示酿酒酵母合成高含量RNA的分子遗传机制。在此基础上，通过对基因启动子替换以及基因无痕精确编辑系统，对工业酿酒酵母RNA代谢网络进行精细调控和优化，选育出高核酸酿酒酵母工业菌株。研究结果将会揭示酿酒酵母合成高含量RNA的代谢机制，对高RNA含量酿酒酵母菌种的选育研究具有重要的指导意义。突变株NY-1是优良的高RNA含量发酵酵母菌种，具有良好的工业化生产潜力，其分子遗传机制的研究将为其工业化应用奠定坚实的基础。

核酸类物质及其降解产物在遗传工程、医药、食品、农业生产等领域有着广泛的用途。之前关于高核酸酵母菌株的研究多集中在假丝酵母属，但是，假丝酵母并不是GRAS菌株，近年来随着对食品安全性的考虑，越来越多的研究集中在酿酒酵母。目前有关高 RNA 含量的酿酒酵母选育的研究基本上集中在传统诱变育种方面，对酿酒酵母合成高含量 RNA 的分子遗传调节机制还不清楚。本研究以选育的高核酸酿酒酵母为研究目标，分别对出发菌株和高核酸菌株进行了基因组学和转录组学分析。在基因组水平上，总共得到78655突变位点，其中SNP类型为73202个，InDel类型为5453个；对两个样本的突变类型进行了编码信息统计，发现synonymous SNV，nonframeshift deletion和nonframeshift insertion比例均超过58%；通过对突变基因的富集分析得到15个与核酸代谢相关的基因，但是它们的突变位点均在非编码区。转录水平上，共得到1989个unigene，与对照组相比，有536个差异转录基因，KEGG富集分析表明差异转录基因主要富集到酵母的减数分裂、真核生物中核糖体的生物生成、RNA转运、乙醛酸和二元酸的代谢、色氨酸代谢、酵母的MAPK信号途径和多物种的寿命调解途径等代谢通路。选择15个差异变化较大的基因来评估单一基因缺失或过表达对酿酒酵母RNA合成的影响。我们首次报道了调节HXT1、GSP2和CTT1的转录可以增加酿酒酵母的RNA含量。同时我们也研究了核糖体蛋白（RP）基因转录调控因子FHL1和IFH1、核仁RNA结合蛋白IMP4家族（IMP4、RPF1/2、SSF1/2、BRX1）蛋白基因、RNA聚合酶I起始转录复合物相关基因（RRN3/5/6/7/9/10/11，RPA14/34/49和TBP）和细胞有氧呼吸能力对酿酒酵母核酸合成的影响。我们的研究结果初步揭示了高核酸酿酒酵母RNA合成的遗传机制，并为提高工业酿酒酵母RNA含量提供了新策略和方法。