スクアレン-テトラヒマノールシクラーゼの発現により、真核細胞のステロール非依存性増殖が可能になりました

Expression of a squalene-tetrahymanol cyclase enables sterol-independent growth of .

• Sanne J Wiersma
• Christiaan Mooiman
• Martin Giera
• Jack T Pronk

抄録

真核生物の膜の必須成分とされるステロールの生合成には、分子状の酸素が必要である。したがって、酵母の嫌気性成長は、厳密には合成成長培地のステロール補充に依存しています。ネオカリマスティゴミコータは、ステロールの代わりに、スクアレンの環化によって形成される五環式トリテルペノイド「ステロールサロゲート」テトラヒマノールを含む、厳密に嫌気性の真菌のグループです。ここでは、毛様体からのスクアレン-テトラヒマノールシクラーゼ遺伝子の発現により、テトラヒマノールの合成が可能になったことを示している。発現株から遺伝子を削除すると、本来のステロール合成は停止し、嫌気性および好気性条件下での持続的な無ステ ロール生育が確認された。また、嫌気性培養では、エルゴステロールを添加した培養物に比べて比成長率とバイオマス収率が低く、エタノール収率は高かった。この研究は、機能的なスクアレン-テトラヒマノールシクラーゼ遺伝子の獲得が、嫌気性、ステロール制限条件下での成長に即時的な利点を提供し、酵母におけるステロール合成に関連する酸素要求を排除する代謝工学戦略の基礎を提供することを実証しています。本研究に記載されている実験室での実験は、厳密に嫌気性真菌の進化の間に提案されている水平方向の遺伝子導入イベントをシミュレートするものである。単一の異種遺伝子の発現により、モデル真核生物の嫌気性ステロール要件を排除するのに十分であることが実証されたことから、ステロールに依存しない真核生物が無酸素環境下でどのように進化してきたかの理解に貢献します。本研究は、嫌気性の大規模な工業プロセスに適用される酵母株におけるステロール要求量を排除する代謝工学的戦略の原理を証明するものである。本研究で記述されたステロール非依存性酵母株は、真核細胞におけるステロールおよびステロールサロゲートの生理的役割と影響についての更なる研究のための貴重なプラットフォームを提供するものである。

Biosynthesis of sterols, which are considered essential components of virtually all eukaryotic membranes, requires molecular oxygen. Anaerobic growth of the yeast therefore strictly depends on sterol supplementation of synthetic growth media. Neocallimastigomycota are a group of strictly anaerobic fungi which, instead of sterols, contain the pentacyclic triterpenoid 'sterol surrogate' tetrahymanol, which is formed by cyclization of squalene. Here, we demonstrate that expression of the squalene-tetrahymanol cyclase gene from the ciliate enables synthesis of tetrahymanol by Moreover, expression of enabled exponential growth of anaerobic cultures in sterol-free synthetic media. After deleting the gene from a -expressing strain, native sterol synthesis was abolished and sustained sterol-free growth was demonstrated under anaerobic as well as aerobic conditions. Anaerobic cultures of -expressing on sterol-free medium showed lower specific growth rates and biomass yields than ergosterol-supplemented cultures, while their ethanol yield was higher. This study demonstrates that acquisition of a functional squalene-tetrahymanol cyclase gene offers an immediate growth advantage to under anaerobic, sterol-limited conditions and provides the basis for a metabolic engineering strategy to eliminate the oxygen requirements associated with sterol synthesis in yeasts. The laboratory experiments described in this study simulate a proposed horizontal gene transfer event during the evolution of strictly anaerobic fungi. The demonstration that expression of a single heterologous gene sufficed to eliminate anaerobic sterol requirements in the model eukaryote therefore contributes to our understanding of how sterol-independent eukaryotes evolved in anoxic environments. This study provides a proof-of-principle for a metabolic engineering strategy to eliminate sterol requirements in yeast strains that are applied in large-scale, anaerobic industrial processes. The sterol-independent yeast strains described in this study provide a valuable platform for further studies on the physiological roles and impacts of sterols and sterol surrogates in eukaryotic cells.

Copyright © 2020 Wiersma et al.