综合多组学技术揭示了海洋芳香益生菌酵母Meyerozyma guilliermondii GXDK6在盐胁迫下的谷胱甘肽代谢调控机制

《ACS Omega》：Integrated Multiomics Elucidates Glutathione Metabolic Regulation in a Marine Aromatic Probiotic Yeast Meyerozyma guilliermondii GXDK6 under Salt Stress

谷胱甘肽代谢调控与外源补充对海源毕赤酵母GXDK6耐盐能力的影响：通过基因组、转录组和蛋白质组多组学分析，揭示了盐胁迫下GXDK6通过上调谷胱甘肽合成基因（GSS、cysK2、glyA）和抑制降解基因（ggt2）维持氧化还原平衡的机制，并证实外源谷胱甘肽（10 mg/L）使10% NaCl条件下菌落形成单位增加52.7倍。

　　在高盐环境中，微生物面临着显著的氧化压力，这种压力主要来自于环境条件对细胞内氧化还原平衡的干扰。为了应对这种挑战，微生物需要高效的适应机制，其中谷胱甘肽（GSH）代谢是一个关键的调控网络。GSH是一种广泛存在于生物体中的低分子量三肽，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成。它在细胞内具有重要的抗氧化功能，能够中和自由基，保护细胞免受氧化损伤。在本研究中，科学家们通过整合基因组测序、转录组学和蛋白质组学分析，结合特定的生理实验，深入探讨了GSH代谢在高盐环境中的调控机制。

研究聚焦于一种来源于海洋的多应激耐受益生酵母菌株——Meyerozyma guilliermondii GXDK6。该菌株在高盐条件下仍能保持良好的生长状态，能够在高达12%的NaCl浓度下持续增殖。尽管其盐耐受性已被证实，但其通过GSH代谢进行调节的具体机制尚未完全阐明。因此，研究者采用多组学方法，系统分析了在不同NaCl浓度（0%、5%、10%）下，该菌株的GSH代谢相关基因和蛋白的变化情况，揭示了其在高盐胁迫下的适应性策略。

通过基因组分析，研究团队识别出55个与其它氨基酸代谢相关的基因，占总代谢调控基因的4.12%。这些基因主要涉及谷胱甘肽代谢、β-丙氨酸代谢、氰胺酸代谢和硒化合物代谢等路径。这些发现表明，GXDK6具有广泛的代谢适应能力，能够通过调控多种氨基酸代谢途径来应对高盐环境带来的挑战。进一步的转录组学和蛋白质组学分析显示，在盐胁迫下，关键的GSH合成基因如GSS、cysK_2和glyA被显著上调，而降解相关基因ggt_2则被下调。这一结果表明，GXDK6在高盐条件下优先增强了GSH的合成能力，以维持细胞内的氧化还原平衡。

研究还发现，细胞内的GSH含量呈现出双相变化。在5% NaCl处理下，GSH含量减少了39.75%；而在10% NaCl处理下，GSH含量则显著增加，达到53.01%的上升。这种变化模式提示了细胞在不同盐浓度下的动态调节机制，可能是在低浓度盐胁迫下通过降低GSH的消耗来维持其功能，而在高浓度盐胁迫下则通过增强合成能力来应对更大的氧化压力。此外，谷胱甘肽S-转移酶（GST）的酶活性在盐胁迫下显著上升，这表明GST在细胞内的解毒过程中起到了关键作用，通过催化GSH与多种有害物质的结合，帮助细胞清除自由基，减轻氧化损伤。

在对GSH代谢相关基因和蛋白的进一步分析中，研究团队发现了一些有趣的调控现象。例如，编码谷氨酸脱氢酶（GDH）的基因gdh-1在盐胁迫下被显著下调，这与预期相反，因为通常认为盐胁迫会促进谷氨酸代谢相关酶的活性。然而，该研究显示，GDH的表达减少可能与细胞在高盐条件下对谷氨酸的需求变化有关。同时，GSH合成酶GSS在10% NaCl处理下被显著上调，这可能是因为在更高盐浓度下，细胞需要更多的GSH来维持其抗氧化能力。

在转录和翻译水平上的研究还揭示了GSH代谢调控的复杂性。例如，编码谷胱甘肽合成酶的基因GSS在5% NaCl处理下呈现轻微下调，但在10% NaCl处理下则被显著上调。这种表达模式的变化可能反映了细胞在不同盐浓度下的不同适应策略。此外，GST蛋白的表达在盐胁迫下被显著增强，这表明GST在细胞的抗氧化防御中扮演了重要角色。然而，在10% NaCl处理下，GST和GGT的表达水平相比5% NaCl条件有所下降，而GPX的表达则下降，而GSR的表达则上升。这种酶的表达变化可能与细胞在高盐条件下的氧化还原平衡调控有关。

研究还通过生理实验验证了GSH在提高微生物盐耐受性方面的潜力。在液态培养中，添加10 mg/L的GSH显著提高了GXDK6在10% NaCl条件下的生长能力，使其OD600值增加了35.25%。在固态培养中，GSH的添加同样显示出显著的保护效果，使菌株在10% NaCl条件下的菌落形成单位（CFUs）增加了52.7倍。这些结果进一步支持了GSH在维持细胞氧化还原平衡和促进微生物生存方面的重要性。

通过本研究，科学家们不仅揭示了GXDK6在高盐环境中的GSH代谢调控机制，还为微生物在极端环境中的适应性提供了新的视角。GSH的合成和代谢调控被认为是GXDK6增强盐耐受性的关键因素。此外，研究还表明，GSH的外源添加可以显著提高微生物在高盐条件下的生存能力，这为工业生物技术中的微生物工程提供了新的思路。例如，在高盐发酵过程中，通过优化GSH的合成途径，可以增强微生物的稳定性和发酵效率，从而提高生产性能。

在环境应用方面，研究结果也具有重要意义。例如，在盐碱地修复和废水处理等环境中，增强微生物的盐耐受性和抗氧化能力可以提高其在恶劣条件下的生存和功能表现，从而提升环境治理的效率。此外，该研究还揭示了微生物在高盐环境下的生理响应机制，包括ROS的积累、膜脂质过氧化以及抗氧化酶的激活。这些发现不仅加深了我们对微生物应激生理的理解，也为未来在生物技术、食品工业和环境科学领域的应用提供了理论支持。

总的来说，本研究通过多组学方法，系统解析了Meyerozyma guilliermondii GXDK6在高盐环境中的GSH代谢调控机制。研究结果表明，GSH在维持细胞氧化还原平衡和应对盐胁迫方面发挥着核心作用。通过调控GSH的合成和降解相关基因，微生物能够在高盐条件下保持其代谢活性和生存能力。此外，外源GSH的添加显著提高了菌株的盐耐受性，为微生物工程和工业应用提供了新的可能性。这些发现不仅有助于理解微生物在极端环境中的适应机制，也为开发更具耐受性的微生物系统提供了科学依据。