《Food Bioscience》：Transcriptomic identification and modulation of key transcription factors and target genes for high-efficiency glucose utilization and lycopene production in
Saccharomyces cerevisiae
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摘要：番茄红素是一种具有显著抗氧化活性的类胡萝卜素，广泛应用于营养品、功能性食品、化妆品和制药领域。尽管葡萄糖是酿酒酵母生产番茄红素的主要碳源，但过高的葡萄糖水平会施加代谢负担，降低整体通路效率。在此，我们采用转录组分析，鉴定了与葡萄糖利用效率相关的关键调控性转录因子（TFs
摘要：
番茄红素是一种具有显著抗氧化活性的类胡萝卜素，广泛应用于营养品、功能性食品、化妆品和制药领域。尽管葡萄糖是酿酒酵母生产番茄红素的主要碳源，但过高的葡萄糖水平会施加代谢负担，降低整体通路效率。在此，我们采用转录组分析，鉴定了与葡萄糖利用效率相关的关键调控性转录因子（TFs）和靶基因，以改善酿酒酵母中番茄红素的合成。在初始葡萄糖浓度为40 g/L的摇瓶发酵中，重组菌株Y-ΔYC+M生产了565.99 mg/L番茄红素，比对照菌株高出51.47%。工程菌株表现出加速的葡萄糖消耗，同时减少了甘油和乙酸等中间产物的积累。这些转录因子和靶基因重新编程了多条通路的转录，包括中央碳代谢、柠檬酸循环（TCA循环）、糖酵解/糖异生和丙酮酸代谢，有效增强了葡萄糖代谢。中央碳代谢组和胞外代谢物分析表明，碳资源更高效地流向番茄红素合成通路。最终，在7 L发酵罐中番茄红素产量达到2091.60 mg/L。这一策略为其他天然产物的高效合成提供了参考。
引言
番茄红素是一种脂溶性类胡萝卜素，分子式为C40H56（Du等人，2023年）。它具有多种生理功能，如抗氧化、抗癌和心血管保护等作用，并广泛应用于营养品、功能性食品、化妆品和制药行业（Fordjour等人，2024年；Jing等人，2021年）。通过微生物发酵生产番茄红素因其可持续性和经济效益而展现出令人前景的商业潜力。预计到2032年，全球番茄红素市场将达到2.5亿美元（Huang等人，2026年）。
葡萄糖是微生物发酵中最广泛使用的碳源。酵母细胞工厂对环境中葡萄糖浓度的适应能力对于天然产物的生物合成至关重要（Vickers等人，2014年）。碳源供应不足会降低代谢通量并造成能量亏缺，延迟进入对数生长期，限制细胞增殖，并限制乙酰辅酶A和NADPH等关键前体的可用性（Guidi等人，2010年），这些因素共同阻碍了类胡萝卜素的积累。适度的葡萄糖浓度支持细胞的快速生长和增殖，产生足够的生物量以支撑类胡萝卜素的生物合成（Bu等人，2017年）。然而，过高的葡萄糖浓度会引发渗透压胁迫，对酵母生长和代谢性能产生不利影响（Xia等人，2025年）。此外，高葡萄糖还抑制类胡萝卜素合成基因的转录，阻碍β-胡萝卜素、虾青素及相关色素的生产（Miao等人，2019年）。同时，高葡萄糖还会刺激乙醇、乙酸、甘油和乙醛等副产物的形成（Liu等人，2026年）。因此，类胡萝卜素滴度不再随底物浓度成正比上升，甚至可能下降。此外，积累的乙醇和乙酸具有细胞毒性，抑制细胞生长和代谢活性，进一步导致产品产量大幅下降（Ji等人，2025年；Zhang等人，2017年）。因此，减轻代谢抑制并在高葡萄糖条件下提高底物向目标产物的转化效率，代表了代谢工程的关键挑战（Meng等人，2020年；Xiao等人，2025年）。
目前，转录因子工程已成为构建高效微生物细胞工厂的一种新策略，因为它可以协调调控特定代谢通路中多个基因的表达，从而激活或抑制相关的代谢通量，显著增强目标产物的合成效率（Chen等人，2022年；Naseri等人，2021年；Xue等人，2025年）。例如，删除ROX1并过表达UPC2-1可以增强整个甾醇合成通路中基因的表达，大幅增加了7-脱氢胆固醇的产量（Gu等人，2023年）。转录因子ROX1在低pH条件下维持酿酒酵母（S. cerevisiae）的氧化应激稳态（Sun等人，2026年）。酵母中的脂质生物合成与类胡萝卜素合成通路之间存在多重协同和竞争关系（Tu等人，2026年）。转录因子复合物INO2/INO4在脂质生物合成中起着关键作用，通过激活磷脂、脂肪酸和甾醇合成通路中的多个基因。删除INO2和INO4分别将番茄红素产量提高了2.6倍和1.8倍（Su等人，2024年）。STB5是一个转录因子和NADPH调节因子，它抑制PGI1（编码糖酵解中的限速酶）的表达，将碳通量从糖酵解重新引导至氧化磷酸戊糖途径。过表达STB5已被证明可增加番茄红素产量14%–42%（Zhang等人，2023年）。此外，用合成启动子替换其天然启动子进一步将3-HP滴度提高到0.74 g/L（Qin等人，2024年）。葡萄糖浓度的变化在酵母中触发多维响应，包括葡萄糖感知信号转导、代谢物水平的变化和转录重编程（Kayikci & Nielsen，2015年）。总的来说，挖掘和工程化响应葡萄糖波动的转录因子和靶基因，代表了增强酿酒酵母在动态条件下的自适应调节，最终提升番茄红素产量的一个有前景的策略。转录组学是代谢工程的基石技术，为系统揭示该方法中的关键基因和主调控因子提供了强有力的平台（Li等人，2026年）。
本研究旨在利用组学技术鉴定增强酵母对葡萄糖浓度适应性和促进番茄红素合成的转录因子和关键靶基因。通过分析酵母对变化葡萄糖水平的响应机制，发现随着初始糖浓度的增加，与糖酵解、磷酸戊糖途径和甲羟戊酸途径相关的基因显著上调。葡萄糖水平的提高促进了前体代谢物和能量的供应，而发酵后分析显示甘油、乙醇和柠檬酸等副产物积累增加。采用转录组分析鉴定了响应葡萄糖浓度变化的转录因子。个体和组合调节其中的若干转录因子，显著改善了细胞生长和番茄红素产量。此外，删除编码共价连接的细胞壁甘露糖蛋白的CWP2（van der Vaart等人，1995年），也显著增强了酵母每单位葡萄糖的番茄红素产量和细胞生长。通过整合靶向代谢组学、转录组学和胞外代谢物谱分析，我们系统地解析了工程菌株高产性能的分子机制。这些发现为理解酿酒酵母在不同葡萄糖浓度下的自我调节机制提供了理论基础，并为其他高价值天然产物的生物合成提供了参考。
部分摘要
菌株和培养基
本研究使用此前我们实验室构建的菌株YLY-41作为初始菌株（Huang等人，2024年）。所有酵母菌株如表1所示。酵母浸膏蛋白胨葡萄糖（YPD）培养基（10 g/L酵母浸膏、20 g/L蛋白胨和20 g/L葡萄糖）用于工程酵母菌株的转化感受态细胞制备和摇瓶发酵。补充200 μg/mL Geneticin的YPD培养基用于KanMX标记筛选。SD-FOA（添加1 mg/mL的SD完全培养基
工程酵母对初始葡萄糖浓度的响应
为了评估初始葡萄糖浓度对酿酒酵母菌株YLY-41番茄红素合成和细胞生长的影响，在20、30、40和50 g/L葡萄糖条件下进行摇瓶发酵，以20 g/L作为对照。发酵持续96小时，每24小时取样测量生物量和番茄红素。初始葡萄糖浓度从20增加到50 g/L，细胞生物量依次增加，生长趋势一致（图1A）。番茄红素产量随葡萄糖
结论
总体而言，比较转录组分析鉴定了多个转录因子（NDD1、URC1、YAP7、COM2和NDT80）和关键靶基因CWP2，这些基因在40 g/L葡萄糖条件下增强了番茄红素产量和细胞生长。组合操纵这些靶点进一步优化了菌株性能，工程菌株Y-ΔYC+M的番茄红素滴度达到565.99 mg/L，比对照提高了51.47%。转录组分析揭示了显著的上调
CRediT作者贡献声明
蓝宜斌：撰写 – 审阅与编辑，项目管理。刘宇航：撰写 – 初稿，软件，数据管理。黄广希：撰写 – 初稿，可视化，软件，方法，数据管理。严国良：撰写 – 审阅与编辑，资源，项目管理，概念化。段长青：撰写 – 审阅与编辑，项目管理
数据可用性
支持本研究所有发现的完整数据均可在本文及其在线发表的补充材料中获取。
资金
本研究由国家重点研发计划（2022YFD2101400）资助。
利益冲突声明
作者声明，不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。
黄广希|刘宇航|蓝宜斌|段长青|严国良
