通过组蛋白修饰的扰动来识别优化酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中木质纤维素乙醇生产的关键因素

《Biomass and Bioenergy》：Identifying key factors for optimizing lignocellulosic ethanol production in Saccharomyces cerevisiae through histone modification perturbations

筛选19个组蛋白点突变，发现H3K23R突变可提升木糖发酵效率和醋酸耐受性。转录组分析发现27个差异基因，其中HMX1过表达使木糖消耗率提高20%、乙醇产量增加31.4%。机制研究表明HMX1通过调控铁离子稳态影响AFT1介导的木糖代谢。

　　这项研究聚焦于通过基因工程手段改良酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）以提高其在第二代生物乙醇生产中的应用效率。第二代生物乙醇是一种来源于木质纤维素生物质的可再生能源，例如农业和林业废弃物，其具有经济和环境双重优势。然而，木质纤维素的预处理和水解过程会产生多种发酵抑制物，如弱酸、酚类和呋喃类化合物，这些物质会对酵母的代谢活动造成负面影响。此外，木质纤维素水解产物中通常包含葡萄糖和木糖两种单糖，其中葡萄糖的代谢效率较高，而木糖的利用则面临挑战，因为天然的酿酒酵母缺乏高效的木糖代谢途径。

为了克服这些障碍，研究者们尝试通过多种遗传工程策略来优化酵母的代谢能力。例如，引入木糖异构酶（XI）途径或木糖还原酶-木糖醇脱氢酶（XR-XDH）途径，以促进木糖转化为木酮糖。然而，这些途径在实际应用中仍存在一定的局限性。XR-XDH途径的一个主要问题是其导致的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）辅因子比例失衡，而XI途径则由于催化效率较低，难以满足工业化生产的需求。因此，提高木酮糖代谢效率成为进一步优化酵母代谢性能的关键。

除了改进代谢途径，研究者还探索了通过表观遗传调控来提升酵母对发酵抑制物的耐受能力。表观遗传修饰，如组蛋白的后翻译修饰，已被证明在调控基因表达和增强酵母适应性方面具有重要作用。例如，组蛋白乙酰转移酶NGG1的缺失可以显著提高酵母对木糖的利用效率，而H4K5乙酰化以及GCN5和HPA2两种乙酰转移酶基因的表达也与木糖适应性相关。此外，Rtt109组蛋白乙酰转移酶的缺失被发现能够显著增强酵母对乙酸的耐受能力。这些研究结果表明，表观遗传调控在提升酵母代谢性能和抗逆性方面具有巨大潜力。

本研究的重点在于筛选出能够同时提升木糖发酵能力和乙酸耐受性的组蛋白点突变。研究团队对19个组蛋白修饰位点进行了评估，发现H3K23R突变在提升呼吸缺陷型木糖发酵菌株的适应性方面表现突出。呼吸缺陷型菌株通常依赖发酵途径进行能量代谢，这种特性使其在高浓度乙酸等抑制物存在的情况下可能表现出更强的适应能力。通过转录组分析，研究人员鉴定了27个与H3K23R突变相关的差异表达基因，并进一步验证了其中一些基因对木糖代谢的影响。

在这些候选基因中，heme oxygenase基因HMX1的过表达被发现显著提升了木糖发酵效率和乙醇产量。特别是在含有乙酸的培养基中，HMX1过表达的菌株在木糖消耗速度和乙醇产量方面分别比亲本菌株提高了20%和31.4%。这一发现不仅验证了H3K23R突变对木糖发酵的积极影响，还揭示了HMX1在调节木糖代谢中的关键作用。进一步研究表明，HMX1的表达受到AFT1基因的调控，而AFT1是一种铁依赖的转录因子。这表明，细胞内的铁离子浓度可能在调节木糖代谢过程中发挥重要作用。

此外，研究还发现，HMX1的过表达不仅对木糖发酵有促进作用，还能在工业菌株LF1中增强其对木质纤维素预处理过程中产生的抑制物的耐受能力。这一结果为开发更高效的工业酵母菌株提供了新的思路。通过表观遗传手段调控HMX1的表达，可能为提高酵母的代谢性能和抗逆性提供一种更加精准和高效的策略。

综上所述，本研究通过组蛋白突变筛选和转录组分析，发现H3K23R突变能够显著提升酵母在木糖发酵和乙酸耐受方面的表现。HMX1的过表达被证实是这一改善的重要机制之一，而HMX1的表达又受到AFT1的调控。这一发现不仅为理性代谢工程提供了新的靶点，还揭示了表观遗传修饰在优化木质纤维素乙醇生产中的潜在价值。未来的研究可以进一步探索HMX1和AFT1在不同环境条件下的调控机制，以及如何通过表观遗传手段更有效地提升酵母的工业应用性能。