红发夫酵母油脂积累对虾青素合成的正负调控及机理研究

Astaxanthin is a type of carotenoids possessing important biological activity and it belongs to secondary metabolites. The metabolic regulation of astaxanthin is complex, which involves carbon metabolism, nitrogen metabolism, co-factor balance, etc. Astaxanthin is lipophilic and thus its biosynthesis is closely related to lipid metabolism. According to the present studies, lipid metabolism was considered to have both positive and negative regulation function on astaxanthin synthesis. On one side, lipids compete precursors and reducing power with astaxanthin. On the other hand, lipid accumulation forming lipid body which can store astaxanthin and reduce the feedback inhibition and cytotoxicity caused by free astaxanthin. The red yeast Phaffia rhodozyma is a potential cell factory for astaxanthin production. This proposal focuses on lipid accumulation and metabolic regulation of astaxanthin biosynthesis. The methods used in this project include the alcA-alcR inducible system, transcriptomics analysis and Raman spectrum analysis, etc. The levels of lipid and astaxanthin synthesis will be controlled. The gene expression related to astaxanthin synthesis and the cell physiology will be analyzed under the condition of lipid accumulation. The genes responsible for negatively regulating astaxanthin production caused by lipid accumulation will be explored. The positive regulation process of lipid accumulation on astaxanthin production will be elucidated. The results of the proposal will promote our understanding on the complex metabolic network of astaxanthin biosynthesis.

虾青素是一种具有重要生物活性的类胡萝卜素，属于次级代谢产物，其合成代谢调控涉及碳代谢、氮代谢、辅酶平衡等多个方面。虾青素具有亲脂性，油脂代谢与虾青素合成密切相关。根据目前的研究推测，油脂代谢对虾青素合成起正负两方面的调控作用，一方面油脂合成竞争虾青素前体和还原力，另一方面油脂积累形成的脂质体可存储虾青素，降低虾青素合成的自身反馈抑制和细胞毒性。红发夫酵母是虾青素的潜在细胞工厂，本项目聚焦红发夫酵母油脂积累对虾青素合成的代谢调控，拟在前期研究基础上应用alcA-alcR基因诱导表达系统、转录组分析、拉曼光谱分析等手段，通过调节红发夫酵母油脂与虾青素合成代谢水平，研究油脂积累对虾青素合成相关基因表达及细胞生理代谢的影响，解析油脂积累负调控虾青素合成的调控对象及作用方式，以及脂质体储存虾青素的正调控过程和生理功能，为认识虾青素合成代谢调控网络提供支持。

虾青素(Astaxanthin)是一种重要的萜类天然色素，具有超强的抗氧化能力，兼有抗炎症和预防心脑血管疾病的作用。目前，虾青素的市场规模已达到40亿元人民币，预计年增长率超过9%。红发夫酵母 (Phaffia rhodozyma)合成虾青素的比例可占细胞类胡萝卜素的50%~85%，并且生长快、细胞密度高、抗污染能力强，被认为是虾青素生产的潜在细胞工厂。但是，红发夫酵母的虾青素合成代谢调控机制还不清楚，极大地限制了高产菌种培育。本项目聚焦红发夫酵母油脂代谢与虾青素合成的关系，主要发展了红发夫酵母基因操作平台，在此基础上研究了红发夫酵母油脂积累对虾青素合成的调控作用，系统解析了油脂、甾醇和虾青素合成的相互作用关系，并且开展了高产突变菌株的多组学研究。. 本项目发现，在生理水平上油脂合成对虾青素合成的影响并不明显，但在分子调控水平上存在相互作用。乙酰乙酰辅酶A合成酶NphT7、甾醇调控结合蛋白Ser1、甾醇途径酶Erg2和CYP61等明显影响甾醇和虾青素合成，而对油脂的合成影响较小。在类胡萝卜素合成途径基因CrtE、CrtYB、CrtS、CrtR中，CrtE对虾青素合成尤为重要。多组学分析表明，脂肪酸去饱和酶FAD2、NADPH/NADP合成酶等与油脂代谢相关的基因参与虾青素的合成代谢调控网络。本项目还建立了红发夫酵母CRISPR-Cas9基因编辑技术、流式细胞分析技术、遗传标记去除技术；通过基因组、转录组、蛋白质组、泛素化组和ChIP-Seq组学数据分析，鉴定了两个全新的虾青素合成全局调控因子，为深入认识虾青素及同类萜烯化合物的合成机制奠定了基础。依托本项目发表SCI论文2篇，投稿1篇；申请发明专利3项；做会议报告2次。并且依托该项目实现了技术合作，与企业签订技术开发合同1份。培养博士研究生1名，硕士研究生1名。