工学院刘进课题组在微藻油脂代谢转录调控方面取得新进展

编者按

“浮光不解藻意浓，长照此间有时空，奈何体宽多油腻，只因身在困境中。”在营养充足和环境适宜条件下，微藻生长旺盛（fit状态）；而当处于营养不足或者环境胁迫时，微藻生长受抑制，细胞变大并倾向于合成积累甘油三酯（fat状态）（图1）。甘油三酯是一种常见的储能分子，也是生物能源的理想原料。尽管已有不少关于微藻油脂代谢途径功能基因的研究报道，但在油脂代谢合成甘油三酯的转录调控方面仍所知较少。

近日，北京大学工学院能源与资源工程系刘进课题组在知名期刊New Phytologist在线发表了题为“A conserved MYB transcription factor is involved in regulating lipid metabolic pathways for oil biosynthesis in green algae”的研究论文，揭示了R2R3-MYB转录因子（MYB1）在调控微藻油脂代谢合成甘油三酯中的作用机制。

该研究首先以佐夫色绿藻（Chromochloris zofingiensis）开展研究。该藻易培养，能够在多种营养模式下同时合成甘油三酯和虾青素，被认为是实现油脂和虾青素多联产的重要种质资源之一。该研究通过转录共表达分析探究了参与油脂代谢调控的潜在转录因子以及它们的调控网络；然后，选定其中一个R2R3-MYB转录因子（命名为CzMYB1），结合酵母单杂交实验、凝胶阻滞迁移实验和启动子序列分析等结果，证明CzMYB1受胁迫诱导上调表达，很可能作为全局正调控因子参与调控该藻的油脂代谢。

由于佐夫色绿藻的遗传操作困难，CzMYB1的功能和作用机制尚缺乏遗传证据的支撑。而与佐夫色绿藻近缘的莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhrdtii）属于模式藻，其转化和遗传工具成熟。该研究发现，CzMYB1在莱茵衣藻中的同源转录因子（命名为CrMYB1）同样受胁迫诱导显著上调表达，且与多个油脂代谢关键基因在转录水平存在显著的共表达相关性，包括脂肪酸从头合成（de novo synthesis）、活化（activation）和去饱和（desaturation）途径上的CrCTα、CrCTβ、CrFAT1、CrLACS1、CrLACS2、CrFAD5A、CrFAD6A和CrDES，甘油三酯组装（TAG assembly）途径上的CrLPAAT2、CrPAH1、CrDGTT1和CrDGTT3，脂滴生成（lipid droplet biogenesis）中的CrMLDP，以及多个作用于脂质重塑（lipid remodeling）的脂酶基因。CrMYB1的插入突变大幅抑制了CrMYB1的转录表达，导致了多个油脂代谢关键基因的表达下调，使得缺氮胁迫下的油脂含量显著减少，其中甘油三酯减少的幅度最大（高达66%）。这些基因的启动子区域都存在着能被CrMYB1识别结合的DNA元件。

综合起来，研究人员提出了一个工作模型来阐释MYB1在调控微藻油脂代谢合成甘油三酯的作用机制（图1）。MYB1转录因子在绿藻中保守存在，受胁迫诱导表达，通过识别 CNGTTA元件来转录激活参与脂肪酸从头合成、活化和去饱和、膜脂周转、脂滴生成以及甘油三酯组装等通路中的关键基因的表达，从而控制甘油三酯在藻细胞中的积累。活性氧（ROS）在胁迫条件下积累，可能作为信号分子触发MYB1的表达。该转录因子系微藻中首个被发现的油脂代谢全局调节子，是理想的单基因工程靶点，在理性代谢工程改造微藻提高油脂含量方面有极大的应用潜力。

图1 MYB1调控微藻油脂代谢合成甘油三酯（TAG）的工作模式图

刘进为该论文的通讯作者，2017级直博生史美程为第一作者。此项工作系该课题组揭示长链脂酰CoA合成酶（LACS）成员在微藻油脂代谢应对环境变化中的作用机制（New Phytologist, 2022）后的又一成果，得到了科技部国家重点研发计划（2018YFA0902500）和国家自然科学基金面上项目（32072183, 31770048）的支持。

参考文献：

Bai F, Yu L, Shi J, Li-Beisson Y, Liu J* (2022) Long-chain acyl-CoA synthetases activate fatty acids for lipid synthesis, remodeling and energy production in Chlamydomonas. New Phytologist, 233:823-837.

转自：北大科研

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