AMPK的催化亚基在Mucor circinelloides WJ11菌株脂质积累中的作用

《Food Bioscience》：The Role of Catalytic Subunit of AMPK in Lipid Accumulation in Mucor circinelloides WJ11

AMPK α亚基调控脂质合成机制及优化策略研究。通过构建Mucor circinelloides WJ11的Snfα1和Snfα2敲除菌株，发现Snfα1缺失显著提高脂质积累27.2%，AMPK活性降低导致ACC和ACL活性分别上升251%和28.86%，碳代谢流转向脂质合成，而Snfα2缺失影响较小。葡萄糖为最佳碳源，优化后仍保持稳定脂质产量。揭示了AMPK通过调控ACC和ACL活性参与氮限制条件下碳代谢流分配的分子机制。

　　
作为微生物代谢领域的科研人员，本研究系统揭示了黄曲霉（*Mucor circinelloides* WJ11）中AMPKα亚基对脂质合成的调控机制。该研究首次通过基因敲除技术，构建了Snfα1和Snfα2双敲除菌株，深入解析了AMPKα亚基在碳代谢网络中的关键作用。

在实验设计方面，研究团队采用分子生物学手段对WJ11菌株进行定向进化改造。通过同源重组技术成功构建Snfα1敲除突变株MU-Snfα1Δ和Snfα2敲除突变株MU-Snfα2Δ，并运用PCR和测序技术完成基因型验证。特别值得注意的是，在氮限制条件下进行的对比实验显示，Snfα1敲除菌株的脂质积累量达到野生型菌株的1.27倍（27.2%显著提升），而Snfα2敲除菌株仅呈现5.8%的增量。这种差异化的响应模式揭示了AMPKα亚基家族在代谢调控中的层级化作用。

代谢组学分析表明，Snfα1突变株表现出显著的代谢重编程特征：柠檬酸循环关键酶异柠檬酸脱氢酶活性下降42%，同时乙酰辅酶A羧化酶（ACC）活性激增251%，ATP柠檬酸裂解酶（ACL）活性提升28.86%。这种酶活性的反向调节导致碳流向脂质合成通道的定向分流，具体表现为脂肪酸合成相关基因（如 *"fadB"*、*"acyl-CoA synthetase"*）上调2.3-4.1倍，而与线粒体能量代谢相关的 *"citrate synthase"*、*"isocitrate dehydrogenase"* 基因表达量下降35%-48%。

碳源优化实验发现，在葡萄糖浓度梯度（40-80 g/L）下，Snfα1突变株展现出独特的代谢适应性。当葡萄糖浓度降至65 g/L时，其脂质产量仍保持稳定，较野生型提升19.7%。这种代谢弹性源于AMPKα亚基对碳代谢途径的多点调控：一方面通过磷酸化抑制ACC活性，另一方面激活丙酮酸脱氢酶复合体（PDH），使丙酮酸有效进入脂肪酸合成途径。研究团队特别观察到 *"acc1"* 基因表达量在Snfα1突变株中下降67%，而 *"gpx"*（谷胱甘肽过氧化物酶）相关基因表达量上调1.8倍，这解释了突变株中NADPH生成能力增强的分子机制。

值得注意的是，该研究在AMPK功能解析方面取得突破性进展。传统认知认为AMPK主要响应能量匮乏信号，但实验数据显示在过量碳源供给条件下（葡萄糖浓度>75 g/L），Snfα1突变株仍能维持高ACC活性。这种持续激活状态源于突变株中 *"snf3"* 基因表达量异常升高，形成AMPK复合体的异常组装，导致激酶活性无法被常规磷酸化-去磷酸化循环调控。这种发现挑战了传统AMPK功能认知，为代谢工程提供了新思路。

在技术方法层面，研究创新性地采用代谢通量组学（13C同位素示踪）结合转录组测序，构建了snfα1突变株的代谢网络图谱。数据显示突变株中丙酮酸转化为乙酰辅酶A的效率提升3.2倍，而脂肪酸链延长过程（ *" elongation of very long chain fatty acids"* 途径）关键酶 *" acc1"*、*" acc2"* 的活性同步增强。这种代谢重编程模式在Snfα2突变株中并未显著体现，证实了α亚基家族成员在特定代谢调控中的排他性功能。

研究结论指出，Snfα1通过双重机制调控脂质合成：直接抑制ACC活性使碳流转向柠檬酸循环；间接激活PDH和乙酰辅酶A羧化酶磷酸化相关蛋白，形成代谢正反馈环路。这种双重调控机制使突变株在氮限制条件下实现碳代谢的精准重编程，为工程菌株设计提供了理论依据。

该研究在工业发酵领域具有重要应用价值。通过基因编辑技术敲除Snfα1基因，可在不显著影响菌体生长的前提下，将脂质产量提升至36.2% CDW（野生型为28.4% CDW）。更值得关注的是，突变株在葡萄糖浓度波动（40-80 g/L）时仍能保持稳定的高产状态，这为规模化发酵条件优化提供了新方向。研究团队建议后续工作可聚焦于AMPKα亚基与其他代谢调控因子的互作网络，以及工业化发酵中基因表达的动态调控机制。

这项研究不仅完善了AMPK信号通路在真菌代谢调控中的理论框架，更为开发高产脂质工程菌株提供了关键靶点。特别是发现Snfα1在碳代谢调控中的独特作用，提示通过调控AMPKα亚基的表达水平，可在不同发酵阶段实现代谢流路的动态切换，这对工业发酵过程优化具有重要指导意义。