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定量的プロテオームプロファイリングにより、糸状菌のリグノセルラーゼ産生応答のためのセロビオース依存性のタンパク質処理と輸出経路を明らかにした
Quantitative proteome profiling reveals cellobiose-dependent protein processing and export pathways for the lignocellulolytic responses in .
PMID: 32471912 DOI: 10.1128/AEM.00653-20.
抄録
糸状菌は、リグノセルラーゼを含む工業用酵素の生産に集中的に使用されている。リグノセルロースの生産を誘導するために不溶性セルロースを使用すると、複雑な発酵操作などのいくつかの欠点が生じますが、セロビオースのような可溶性誘導剤を使用することによって克服することができます。ここでは、セロビオースの急速なターンオーバーを阻害してリグノセルロースを誘導するトリプルβ-グルコシダーゼ変異体を、セロビオースとセルロース（アビセル）に対するプロテオーム応答のプロファイルに適用した。私たちの結果は、その要素はリグノセルラーゼと細胞溶解生成物トランスポーターを含むセロビオースとアビセルの共有プロテオームを明らかにした。セルロースを分解するタンパク質は、タンパク質とmRNAのレベルで相関のある増加を示したが、タンパク質とmRNAのレベルの間にプロテオミクススケールで中程度の相関が観察された（R2 = 0.31）。リボソームの生合成とrRNA処理は、タンパク質の増加はあったが、アビセルに反応してmRNAの量は変化しなかったことから、タンパク質セットの中で有意に過剰に発現していた。リボソーム生合成、タンパク質処理およびタンパク質輸出もまた、セロビオースに応答して増加したアバンダンスを示したタンパク質セットに濃縮されていた。酵母CWH43のホモログであるNCU05895は、GPIアンカーを新生タンパク質に伝達することに潜在的に関与している。この蛋白質は、発現量の増加を示したが、mRNAレベルには有意な変化は見られなかった。また、CWH43 を破壊すると、アビセル培地で培養した培養物では、セルラーゼ活性と分泌タンパク質レベルが有意に低下し、セルラーゼ産生における CWH43 のポジティブな制御的役割が示唆された。本研究で得られた知見は、リグノセルラーゼ生産のための系統改良のためのシステム工学的アプローチに影響を与えるものと考えられる。リグノセルラーゼは、バイオ燃料やバイオ製品を持続的に生産するための重要な工業用酵素である。糸状菌のリグノセルラーゼ生産を誘導するために不溶性セルロースが一般的に使用されていたが、これは発酵操作が困難であり、セルロースへの吸着による酵素損失を引き起こす。この欠点は、二糖類であるセロビオースのような可溶性の誘導剤を用いることで克服できる。モデル糸状菌の定量的プロテオームプロファイリングにより、タンパク質の処理と輸出を含むセルラーゼ生産のためのセロビオース依存性の経路が明らかになった。また、タンパク質処理に関与している可能性のあるタンパク質（CWH43）がリグノセルラーゼ産生のポジティブな制御因子であることが明らかになった。このような細胞生物依存性のメカニズムは、糸状菌におけるリグノセルラーゼ産生を改善するための新たな機会を提供するものである。
Filamentous fungi are intensively used for producing industrial enzymes, including lignocellulases. Using insoluble cellulose to induce the production of lignocellulases causes some drawbacks, e.g., complex fermentation operation, which can be overcome by using soluble inducers such as cellobiose. Here, a triple β-glucosidase mutant of , which prevents rapid turnover of cellobiose and thus allows the disaccharide to induce lignocellulases, was applied to profile the proteome responses to cellobiose and cellulose (Avicel). Our results revealed a shared proteome of cellobiose and Avicel, whose elements included lignocellulases and cellulolytic product transporters. While the cellulolytic proteins showed a correlated increase in protein and mRNA levels, only a moderate correlation was observed on a proteomic scale between protein and mRNA levels (R2 = 0.31). Ribosome biogenesis and rRNA processing were significantly over-represented in the protein set with increased protein but unchanged mRNA abundances in response to Avicel. Ribosome biogenesis as well as protein processing and protein export were also enriched in the protein set that showed increased abundance in response to cellobiose. NCU05895, a homologue of yeast CWH43, is potentially involved in transferring GPI anchor to nascent proteins. This protein showed increased abundance but no significant change in mRNA levels. Disruption of CWH43 resulted in a significant decrease in cellulase activities and secreted protein levels in cultures grown on Avicel, suggesting a positive regulatory role for CWH43 in cellulase production. The derived findings should have an impact on a systems engineering approach for strain improvement for the production of lignocellulases. Lignocellulases are important industrial enzymes for sustainable production of biofuels and bio-products. Insoluble cellulose was commonly used to induce the production of lignocellulases in filamentous fungi, which causes difficult fermentation operation and enzyme loss due to adsorption to cellulose. The disadvantages can be overcome by using soluble inducers, such as the disaccharide cellobiose. Quantitative proteome profiling of the model filamentous fungus revealed cellobiose-dependent pathways for cellulase production, including protein processing and export. A protein (CWH43) potentially involved in protein processing was found to be a positive regulator of lignocellulase production. The cellobiose-dependent mechanisms provide new opportunities to improve the production of lignocellulases in filamentous fungi.
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