[发明专利]蛋白酰基化修饰在微生物合成代谢调控及其酰基化修饰代谢工程中的应用

说明书

本发明涉及蛋白酰基化修饰在微生物合成代谢调控及其酰基化修饰代谢工程中的应用。一方面，本发明提供了蛋白酰基化修饰在微生物合成代谢调控中的应用，另一方面，本发明提供了蛋白酰基化修饰在酰基化修饰代谢工程中的应用。本发明基于蛋白酰基化修饰对微生物合成代谢调控机制，提出酰基化修饰代谢工程策略，强化微生物合成代谢，减少酰基化修饰引起的碳损耗及碳流拟制，提高产物合成效率。

技术领域

本发明属于代谢工程技术领域，具体涉及蛋白酰基化修饰在微生物合成代谢调控及其酰基化修饰代谢工程中的应用。

背景技术

微生物存在非常复杂的调控网络及响应机制应对培养环境及胞内代谢状态变化，利用多种调控模式调节细胞代谢网络及代谢流分布。现在研究发现微生物细胞在以下几个层面调控其内源性或嵌入的工程化设计生物合成体系：基因的转录及翻译调节细胞内代谢酶丰度，变构效应及翻译后修饰调控细胞内代谢酶活性，前体供应及辅因子浓度影响合成代谢反应速率。近年来代谢工程及合成生物学研究主要聚焦在（1）生物合成元件的挖掘、设计、优化改造及模块组装；（2）调控元件及网络优化，维持相关合成代谢酶的高水平表达；（3）前体及辅因子工程，保障前体及辅因子供应；（4）代谢酶的改造，解除产物的变构反馈抑制。这些研究加深了对微生物合成的理论与方法的理解，实现了微生物药物、生物燃料及化学品、生物基聚合物的高效合成。但是微生物固有的翻译后修饰（post-translationalmodification, PTM）系统对工程化生物合成途径的调控机制及合成效率影响尚未有系统研究，基于翻译后修饰代谢工程及合成生物学也没有相关报道。蛋白质翻译后修饰是一种所有生命体都广泛存在的重要调控机制，包括磷酸化、甲基化、酰基化等。PTMs能够赋予其修饰蛋白质全新的功能和性质，包括酶活性调节，亚细胞定位，与分子伴侣间相互作用，蛋白质稳定性以及与DNA结合能力等。

蛋白赖氨酸酰基化是一种动态可逆的翻译后修饰。其中，以乙酰-CoA为供体的蛋白乙酰化修饰构建了酰基-CoA代谢与细胞内信号通路的关联性。其他赖氨酸酰基化修饰，如丙酰化，丁酰化，巴豆酰化，丙二酰化，琥珀酰化等。由于其侧链长度的增加，以及电荷的变化，会改变蛋白的空间位阻，影响蛋白参与的诸多生物过程，包括酶活性，细胞定位以及蛋白大分子间的相互作用。蛋白酰化修饰具有酶催化和非酶催化两种方式，其体内蛋白酰化修饰程度与酰基-CoA的种类及浓度密切相关。而以NAD⁺作为辅因子的SIRT家族去酰基化酶，在真核生物和原核生物中，均发挥着重要的功能。随着酰基蛋白质组学技术的发展，研究显示蛋白酰基化水平的增加与细胞内相应的酰基-CoA（acyl-CoA）积累存在密切关系；酰基化修饰调节（拟制）了代谢酶的催化活性，破坏合成途径中各元件间、合成途径与底盘之间的适配性，影响微生物代谢流的分布。

酰基-CoA是蛋白质酰基化修饰的酰基基团供体，同时也是微生物合成多种生物活性物质如聚酮类物质(如聚酮抗生素)、芪类及黄酮类化合物、生物碱、生物能源类物质及生物材料（如聚羟基脂肪酸酯）等的前体。提高细胞内酰基-CoA供应水平，能够促进微生物合成产率。在传统的代谢工程中，采用突变-筛选模式以及节点改造的方法用以提高体内酰基-CoA的含量，从而提高对应产物的产量。该方法已用于提高包括抗生素，正丁醇，聚羟丁酸，脂肪酸及其衍生物，黄酮类化合物以及萜类生物碱的生物合成。

因此，酰基-CoA积累对合成代谢具有双重效应：前体供应增加，促进生物合成产率；酰基化供体增加，提高合成代谢途径相关酶的酰基化水平，抑制代谢酶催化活性及合成效率。解析细胞内酰基-CoA双重效应（酰基化供体及代谢前体）的相互影响及平衡，揭示蛋白质酰基化修饰对合成代谢酶活性的调节作用及机制，从酰基-CoA平衡及蛋白质翻译后修饰角度研究微生物合成途径（內源或外源）与细胞整体代谢网络的互作机制。

发明内容