Влияние дефицита биотина на экспрессию генов в клетках дрожжей Komagataella phaffii

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Метилотрофные дрожжи Komagataella phaffii активно используются в биотехнологии для синтеза рекомбинантных белков. В связи с высокой практической значимостью этих дрожжей необычайно важным является тщательный подбор условий культивирования и оптимизация состава сред. В данной работе на уровне транскриптома было изучено влияние дефицита биотина на экспрессию генов у этих дрожжей. Было показано, что ответ клеток K. phaffii на недостаток биотина сильно зависит от источника углерода в среде. В средах, содержащих глицерин, дефицит биотина приводил к активации генов метаболизма биотина, глиоксилатного цикла и синтеза ацетил-CоА в цитоплазме, а также подавлению генов глюко- и липогенеза. В средах, содержащих метанол, дефицит биотина в первую очередь приводил к подавлению генов, вовлеченных в синтез белков, и активации ответа клетки на окислительный стресс.

Об авторах

А. С Макеева

Санкт-Петербургский государственный университет

199034 Санкт-Петербург, Россия

А. В Сидорин

Санкт-Петербургский государственный университет

199034 Санкт-Петербург, Россия

В. В Иштуганова

Санкт-Петербургский государственный университет

199034 Санкт-Петербург, Россия

М. В Падкина

Санкт-Петербургский государственный университет

199034 Санкт-Петербург, Россия

А. М Румянцев

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: rumyantsev-am@mail.ru
199034 Санкт-Петербург, Россия

Список литературы

  1. Karbalaei, M., Rezaee, S. A., and Farsiani, H. (2020) Pichia pastoris: a highly successful expression system for optimal synthesis of heterologous proteins, J. Cell. Physiol., 235, 5867-5881, doi: 10.1002/jcp.29583.
  2. Cregg J. M. (2007) Introduction: distinctions between Pichia pastoris and other expression systems, Methods Mol. Biol., 389, 1-10, doi: 10.1007/978-1-59745-456-8_1.
  3. Heistinger, L., Gasser, B., and Mattanovich, D. (2020) Microbe profile: Komagataella phaffii: a methanol devouring biotech yeast formerly known as Pichia pastoris, Microbiology, 166, 614-616, doi: 10.1099/mic.0.000958.
  4. Carneiro, C. V. G. C., Serra, L. A., Pacheco, T. F., Ferreira, L. M. M., Brandão, L. T. D., de Moura Freitas, M. N., Trichez, D., and Almeida, J. R. M. (2022) Advances in Komagataella phaffii engineering for the production of renewable chemicals and proteins, Fermentation, 8, 575, doi: 10.3390/fermentation8110575.
  5. Hartner, F. S., and Glieder, A. (2006) Regulation of methanol utilisation pathway genes in yeasts, Microb. Cell Fact., 5, 1-21, doi: 10.1186/1475-2859-5-39.
  6. Ergün, B. G., Berrios, J., Binay, B., and Fickers, P. (2021) Recombinant protein production in Pichia pastoris: from transcriptionally redesigned strains to bioprocess optimization and metabolic modelling, FEMS Yeast Res., 21, foab057, doi: 10.1093/femsyr/foab057.
  7. Ghosalkar, A., Sahai, V., and Srivastava, A. (2008) Optimization of chemically defined medium for recombinant Pichia pastoris for biomass production, Bioresour. Technol., 99, 7906-7910, doi: 10.1016/j.biortech.2008.01.059.
  8. Joseph, J. A., Akkermans, S., Cornillie, E., Deberlanger, J., and Van Impe, J. F. M. (2023) Optimal culture medium selection and supplementation for recombinant thaumatin II production by Komagataella phaffii, Food Bioprod. Process, 139, 190-203, doi: 10.1016/j.fbp.2023.04.001.
  9. Matthews, C. B., Kuo, A., Love, K. R., and Love, J. C. (2018) Development of a general defined medium for Pichia pastoris, Biotechnol. Bioeng., 115, 103-113, doi: 10.1002/bit.26440.
  10. Rumiantsev, A. M., Padkina, M. V., and Sambuk, E. V. (2013) Effect of nitrogen source on gene expression of first steps of methanol utilization pathway in Pichia pastoris, Genetika, 49, 454-460, doi: 10.7868/S0016675813040115.
  11. Rumjantsev, A. M., Bondareva, O. V., Padkina, M. V., and Sambuk, E. V. (2014) Effect of nitrogen source and inorganic phosphate concentration on methanol utilization and PEX genes expression in Pichia pastoris, ScientificWorldJournal, 2014, 1-9, doi: 10.1155/2014/743615.
  12. Ortega-Cuellar, D., Hernandez-Mendoza, A., Moreno-Arriola, E., Carvajal-Aguilera, K., Perez-Vazquez, V., Gonzalez-Alvarez, R., and Velazquez-Arellano, A. (2010) Biotin starvation with adequate glucose provision causes paradoxical changes in fuel metabolism gene expression similar in rat (Rattus norvegicus), nematode (Caenorhabditis elegans) and yeast (Saccharomyces cerevisiae), J. Nutrigenet. Nutrigenomics, 3, 18-30, doi: 10.1159/000318054.
  13. Perli, T., Wronska, A. K., Ortiz-Merino, R. A., Pronk, J. T., and Daran, J. M. (2020) Vitamin requirements and biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae, Yeast, 37, 283-304, doi: 10.1002/yea.3461.
  14. Hall, C., and Dietrich, F. S. (2007) The reacquisition of biotin prototrophy in Saccharomyces cerevisiae involved horizontal gene transfer, gene duplication and gene clustering, Genetics, 177, 2293-2307, doi: 10.1534/genetics.107.074963.
  15. Gasser, B., Dragosits, M., and Mattanovich, D. (2010) Engineering of biotin-prototrophy in Pichia pastoris for robust production processes, Metab. Eng., 12, 573-580, doi: 10.1016/j.ymben.2010.07.002.
  16. Bolger, A. M., Lohse, M., and Usadel, B. (2014) Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data, Bioinformatics, 30, 2114-2120, doi: 10.1093/bioinformatics/btu170.
  17. Leggett, R. M., Ramirez-Gonzalez, R. H., Clavijo, B. J., Waite, D., and Davey, R. P. (2013) Sequencing quality assessment tools to enable data-driven informatics for high throughput genomics, Front. Genet., 4, 288, doi: 10.3389/fgene.2013.00288.
  18. Kim, D., Paggi, J. M., Park, C., Bennett, C., and Salzberg, S. L. (2019) Graph-based genome alignment and genotyping with HISAT2 and HISAT-genotype, Nat. Biotechnol., 37, 907-915, doi: 10.1038/s41587-019-0201-4.
  19. Danecek, P., Bonfield, J. K., Liddle, J., Marshall, J., Ohan, V., Pollard, M. O., Whitwham, A., Keane, T., McCarthy, S. A., Davies, R. M., and Li, H. (2021) Twelve years of SAMtools and BCFtools, GigaScience, 10, giab008, doi: 10.1093/gigascience/giab008.
  20. Liao, Y., Smyth, G. K., and Shi, W. (2014) featureCounts: an efficient general purpose program for assigning sequence reads to genomic features, Bioinformatics, 30, 923-930, doi: 10.1093/bioinformatics/btt656.
  21. Love, M. I., Huber, W., and Anders, S. (2014) Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2, Genome Biol., 15, 550, doi: 10.1186/s13059-014-0550-8.
  22. Zhang, C., Ma, Y., Miao, H., Tang, X., Xu, B., Wu, Q., Mu, Y., and Huang, Z. (2020) Transcriptomic analysis of Pichia pastoris (Komagataella phaffii) GS115 during heterologous protein production using a high-cell-density fed-batch cultivation strategy, Front. Microbiol., 11, 463, doi: 10.3389/fmicb.2020.00463.
  23. Brady, J. R., Whittaker, C. A., Tan, M. C., Kristensen, D. L., 2nd, Ma, D., Dalvie, N. C., Love, K. R., and Love, J. C. (2020) Comparative genome-scale analysis of Pichia pastoris variants informs selection of an optimal base strain, Biotechnol. Bioeng., 117, 543-555, doi: 10.1002/bit.27209.
  24. Love, K. R., Shah, K. A., Whittaker, C. A., Wu, J., Bartlett, M. C., Ma, D., Leeson, R. L., Priest, M., Borowsky, J., Young, S. K., and Love, J. C. (2016) Comparative genomics and transcriptomics of Pichia pastoris, BMC Genomics, 17, 550, doi: 10.1186/s12864-016-2876-y.
  25. Pirner, H. M., and Stolz, J. (2006) Biotin sensing in Saccharomyces cerevisiae is mediated by a conserved DNA element and requires the activity of biotin-protein ligase, J. Biol. Chem., 281, 12381-12389, doi: 10.1074/jbc.M511075200.
  26. Weider, M., Machnik, A., Klebl, F., and Sauer, N. (2006) Vhr1p, a new transcription factor from budding yeast, regulates biotin-dependent expression of VHT1 and BIO5, J. Biol. Chem., 281, 13513-13524, doi: 10.1074/jbc.M512158200.
  27. Kowalska, E., Kujda, M., Wolak, N., and Kozik, A. (2012) Altered expression and activities of enzymes involved in thiamine diphosphate biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae under oxidative and osmotic stress, FEMS Yeast Res., 12, 534-546, doi: 10.1111/j.1567-1364.2012.00804.x.
  28. Wolak, N., Kowalska, E., Kozik, A., and Rapala-Kozik, M. (2014) Thiamine increases the resistance of baker's yeast Saccharomyces cerevisiae against oxidative, osmotic and thermal stress, through mechanisms partly independent of thiamine diphosphate-bound enzymes, FEMS Yeast Res., 14, 1249-1262, doi: 10.1111/1567-1364.12218.
  29. Duntze, W., Neumann, D., Gancedo, J. M., Atzpodien, W., and Holzer, H. (1969) Studies on the regulation and localization of the glyoxylate cycle enzymes in Saccharomyces cerevisiae, Eur. J. Biochem., 10, 83-89, doi: 10.1111/j.1432-1033.1969.tb00658.x.
  30. Berg, M. A., and Steensma, H. Y. (1995) ACS2, a Saccharomyces cerevisiae gene encoding acetyl-coenzyme A synthetase, essential for growth on glucose, Eur. J. Biochem., 231, 704-713, doi: 10.1111/j.1432-1033.1995.tb20751.x.
  31. Takahashi, H., McCaffery, J. M., Irizarry, R. A., and Boeke, J. D. (2006) Nucleocytosolic acetyl-coenzyme A synthetase is required for histone acetylation and global transcription, Mol. Cell, 23, 207-217, doi: 10.1016/j.molcel.2006.05.040.
  32. Strijbis, K., and Distel, B. (2010) Intracellular acetyl unit transport in fungal carbon metabolism, Eukaryot. Cell, 9, 1809-1815, doi: 10.1128/EC.00172-10.
  33. Madsen, C. T., Sylvestersen, K. B., Young, C., Larsen, S. C., Poulsen, J. W., Andersen, M. A., Palmqvist, E. A., Hey-Mogensen, M., Jensen, P. B., Treebak, J. T., Lisby, M., and Nielsen, M. L. (2015) Biotin starvation causes mitochondrial protein hyperacetylation and partial rescue by the SIRT3-like deacetylase Hst4p, Nat. Commun., 6, 7726, doi: 10.1038/ncomms8726.
  34. Kurita, O., and Nishida, Y. (1999) Involvement of mitochondrial aldehyde dehydrogenase ALD5 in maintenance of the mitochondrial electron transport chain in Saccharomyces cerevisiae, FEMS Microbiol Lett., 181, 281-287, doi: 10.1111/j.1574-6968.1999.tb08856.x.
  35. Kumar, N. V., and Rangarajan, P. N. (2011) Catabolite repression of phosphoenolpyruvate carboxykinase by a zinc finger protein under biotinand pyruvate carboxylase-deficient conditions in Pichia pastoris, Microbiology, 157, 3361-3369, doi: 10.1099/mic.0.053488-0.
  36. Kumar, N. V., and Rangarajan, P. N. (2012) The zinc finger proteins Mxr1p and repressor of phosphoenolpyruvate carboxykinase (ROP) have the same DNA binding specificity but regulate methanol metabolism antagonistically in Pichia pastoris, J. Biol. Chem., 287, 34465-34473, doi: 10.1074/jbc.M112.365304.
  37. Kern, A., Hartner, F. S., Freigassner, M., Spielhofer, J., Rumpf, C., Leitner, L., Fröhlich, K. U., and Glieder, A. (2007) Pichia pastoris ‘just in time' alternative respiration, Microbiology, 153, 1250-1260, doi: 10.1099/mic.0.2006/001404-0.
  38. DeRisi, J. L., Iyer, V. R., and Brown, P. O. (1997) Exploring the metabolic and genetic control of gene expression on a genomic scale, Science, 278, 680-686, doi: 10.1126/science.278.5338.680.
  39. Gasch, A. P., Spellman, P. T., Kao, C. M., Carmel-Harel, O., Eisen, M. B., Storz, G., Botstein, D., and Brown, P. O. (2000) Genomic expression programs in the response of yeast cells to environmental changes, Mol. Biol. Cell, 11, 4241-4257, doi: 10.1091/mbc.11.12.4241.
  40. Gasch, A. P. (2003) "The environmental stress response: a common yeast response to environmental stresses", in Yeast Stress Responses (Hohmann, S., and Mager, W. H., eds) Vol. 1, Springer, Berlin, pp. 11-70.
  41. Couderc, R., and Baretti, J. (1980) Oxidation of methanol by the yeast Pichia pastoris. Purification and properties of alcohol oxidase, Agrie. Biol. Chem., 44, 2279-2289, doi: 10.1080/00021369.1980.10864320.
  42. Avery, A. M., and Avery, S. V. (2001) Saccharomyces cerevisiae expresses three phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidases, J. Biol. Chem., 276, 33730-33735, doi: 10.1074/jbc.M105672200.
  43. Lin, N. X., He, R. Z., Xu, Y., and Yu, X. W. (2021) Oxidative stress tolerance contributes to heterologous protein production in Pichia pastoris, Biotechnol. Biofuels, 14, 160, doi: 10.1186/s13068-021-02013-w.

© Российская академия наук, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах