红酵母Rhodosporidium kratochvilovae中乙酰辅酶A合成酶RkACS1与RkACS2在类胡萝卜素和脂质合成中的功能分化与协同调控研究

这篇研究揭示了红酵母Rhodosporidium kratochvilovae YM25235中两种乙酰辅酶A合成酶（ACS）的同工酶RkACS1和RkACS2在代谢调控中的独特作用。RkACS1特异性利用非发酵碳源（如乙酸）并参与类胡萝卜素合成，而RkACS2主导脂质合成并通过组蛋白乙酰化（H3K9ac）调控基因表达。研究首次阐明二者功能冗余与相互调控机制，为通过代谢工程优化次级代谢产物（如β-胡萝卜素、ω-3 PUFA）的工业生产提供了新靶点。

　　

乙酰辅酶A合成酶的功能分化

研究聚焦于Rhodosporidium kratochvilovae YM25235（分离自云南程海湖）的两种乙酰辅酶A合成酶同工酶。通过CRISPR-Cas9构建的基因缺失株显示，RkACS1对乙酸、乙醇和甘油等非发酵碳源的利用至关重要，其缺失导致菌株在含乙酸培养基中生长完全抑制。相反，RkACS2缺失未影响碳源利用，表明其功能不依赖特定碳源。蛋白结构分析揭示RkACS1具有保守的乙酸结合位点（Km值2.3 mM），而RkACS2缺乏该特性，解释了其对乙酸的低亲和力。

代谢流重编程效应

缺失株的代谢组学分析显示：

1. RkACS1缺失株胞内乙酸积累量增加34.65%（52.11 vs 38.70 mg/L），乙酰辅酶A水平下降34.62%（456.55 vs 698.34 nmol/mg），印证其作为主要乙酸转化酶的功能。
2. RkACS2缺失导致组蛋白H3第9位赖氨酸乙酰化（H3K9ac）水平降低41.19%，证实其核定位特性与表观调控功能。

类胡萝卜素合成的特异性调控

在YPD培养基中，RkACS1缺失使类胡萝卜素产量降低20.22%（3.55 vs 4.45 mg/g DCW），伴随甲羟戊酸途径关键基因RkHMGCR（HMG-CoA还原酶）和RkCrtYB（八氢番茄红素合成酶）表达量显著下调。有趣的是，RkACS1回补株产量反超野生型63.59%，揭示其表达水平与类胡萝卜素合成呈正相关。相比之下，RkACS2仅轻微影响类胡萝卜素含量（4.24 mg/g DCW），但通过上调RkCrtI（八氢番茄红素脱氢酶）表达参与代谢调控。

脂质代谢的拮抗作用

表型分析发现：

• RkACS1缺失引发脂质积累增加140.68%（14.73% DCW），长链脂肪酸（C16:0、C18:1等）含量提升114.13%，伴随脂肪酸β氧化基因RkACOX2下调
• RkACS2缺失株脂质减少16.83%（5.09% DCW），但通过脂肪酸合成酶基因RkFAS1的激活实现代谢补偿
  该现象源于RkACS2对转录因子INO2/INO4的调控作用，这与Saccharomyces cerevisiae中的保守机制一致。

同工酶的协同进化特征

葡萄糖饥饿实验揭示动态调控网络：

1. RkACS1表达受葡萄糖抑制，饥饿条件下上调7.51倍
2. RkACS1缺失时，RkACS2表达补偿性增加9.89倍
3. RkACS2缺失导致RkACS1表达抑制，形成负反馈循环

工业生物技术启示

研究提出代谢工程策略：

1. 过表达RkACS1可提升类胡萝卜素产量（如torularhodin）
2. RkACS2调控模块可用于增强脂质生产（如TAGs含量）
3. 组蛋白乙酰化修饰可作为次级代谢产物合成的表观调控靶点

该工作为红酵母在功能性色素（β-胡萝卜素）、高价值脂质（ALA、EPA）等领域的应用提供了理论依据，同时揭示了乙酰辅酶A代谢网络在真核微生物中的进化适应性。