里氏木霉CRISPR-Cas9系统构建及其产酶机制研究

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丝状真菌广泛应用于工业生产各类化合物、药物分子和酶制剂,具有强大蛋白合成和分泌能力的里氏木霉是工业化常用菌株之一,里氏木霉蛋白产量的进一步提高对于其工业化应用仍具有重要意义。高效的遗传操作方法和产酶机制的深入解析将有助于里氏木霉高产菌株的构建和改造。  经过近30年的努力,里氏木霉建立了基因枪转化、农杆菌转化和原生质体转化等遗传操作手段,但这些方法都存在一个共同的问题即外源DNA主要以随机插入的方式整合到基因组上,同源重组效率较低(<10%),这不利于对其进行理性化的设计和操作。CRISPR-Cas9系统是近年来兴起的一种新型基因组编辑技术,具有操作简便、效率高、特异性强等一系列优势,通过表达密码子优化的Cas9和体外转录gRNA成功在里氏木霉中构建该系统。点突变实验表明该系统可使得目标基因ura5在靶标序列处发生碱基的插入和缺失。同源重组实验表明,即使同源臂缩短至200bp,单基因的同源重组效率仍为93%,远高于文献报道。此外,也利用该系统进行双基因和多基因的同时操作,成功获得相应转化子。该系统在里氏木霉菌株改造过程中有广泛的应用前景:第一,利用该系统快速获得一些未知功能的转录调控因子敲除菌株并研究其功能;第二,敲除负调控因子同时过表达正调控因子以获得纤维素酶活提高菌株;第三,利用该系统进行靶标基因的转录激活或抑制研究。  与此同时,里氏木霉广泛用于工业化生产纤维素乙醇,提高其木聚糖酶活可增加木质纤维素底物的可进入性从而提高水解效率。转录调控因子在里氏木霉产酶过程中发挥重要作用,但是已知的转录调控因子都同时调控纤维素酶和半纤维素酶,尚未有木聚糖酶专性的转录调控因子被鉴定。在里氏木霉中新鉴定到一个转录调控因子SxlR,它专性抑制木聚糖酶活而不影响纤维素酶活。RT-PCR和EMSA结果进一步证明,SxlR专性结合GH11家族木聚糖酶基因xyn1,xyn2,xyn5启动子区域并调控其表达,而并不结合GH10家族木聚糖酶基因xyn3和GH30家族木聚糖酶基因xyn4启动子区域。通过截短实验,最终鉴定到Sx1R的保守结合位点为5-CATCSGSWGWMSA-3。此外,sxlr敲除转化子发酵液木聚糖酶活显著性上调同时水稻秸秆降解能力增强。  木聚糖酶广泛用于食品、饲料、造纸、纺织和生物能源等行业,但现有的木聚糖酶大多活性较低且不符合工业化应用的要求,同时里氏木霉也常用于异源蛋白的表达。因此,利用其表达一个土曲霉来源的木聚糖酶基因并经过一系列遗传改造:同源置换CBH I,双拷贝,过表达(增加一个拷贝)正调控因子lae1和xyr1A824V,最终获得酶活较野生菌株提高7.9倍的木聚糖酶高产菌株。  综上所述,一方面,成功在里氏木霉中构建CRISPR-Cas9遗传操作系统,这将加快里氏木霉功能基因组的研究;另一方面,新鉴定到一个GH11家族木聚糖酶专性的转录调控因子并解析其作用机制,这有助于加深对里氏木霉产木聚糖酶调控机制的认识并为菌株改造提供新的靶标。
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