大肠杆菌全局转录因子Cra对琥珀酸生物合成过程中CO2固定基因的调控机制

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    21506049
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    21.0万
  • 负责人：
    朱丽雯
  • 依托单位：
    湖北工业大学
  • 学科分类：
    B0812.生物化工与合成生物工程
  • 结题年份：
    2018
  • 批准年份：
    2015
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

As one of the important four-carbon platform chemicals, succinic acid is classified as the most promising chemicals among 12 bio-based chemicals by U.S. Department of Energy. The CO2 fixed reaction from phosphoenol pyruvate to oxaloacetic acid, which is catalysed by phosphoenolpyruvate (PEP) carboxykinase (PCK) and carboxylase (PPC), has been proved to be the key step for the biosynthesis of succinic acid. The over expression of the pck and ppc genes have been made through the approach of genetic engineering for improving the flux of CO2 fixation, and the improved production of succinic acid was obtained. While the specific cell phenotype is usually regulated by multiple genes and the desired effect is hard to be obtained by simply genetic engineering. In this project, the directed evolution of global transcription factor Cra for further enhancing the production of succinic acid will be proceeded through the transcription level. The direct regulation of Cra on the genes of pck and ppc will be investigated based on the change of the protein structure of Cra in the high yield mutant strain. Finally, based on the global regulation network of CO2 fixation, the molecular mechanism of transcription regulation on the CO2 fixation genes will be studied. For the first time, this project focuses on the global transcription regulation of CO2 fixation genes in order to enhance the succinic acid biosynthesis. The results may be helpful for better understanding and possible regulation of gene expression from the viewpoint of transcription level.
琥珀酸被美国能源部列为12种最具潜力的大宗生物基化学品之首，从磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)到草酰乙酸的CO2固定反应是其合成途径的关键步骤，此反应由PEP羧化激酶(PCK)和羧化酶(PPC)催化完成。课题组前期过表达了CO2固定基因pck和ppc，琥珀酸产量有所提高，但由于细胞的特定表型往往由多个基因共同调控，仅对个别基因的改造难以达到预期效果。为了进一步增强琥珀酸合成，本项目拟以大肠杆菌全局转录因子Cra为研究对象，通过对这一转录核心元件结构的理性设计，对代谢网络进行全局性扰动，从而增强内源CO2固定基因pck和ppc表达；然后分析突变前后Cra蛋白结构及功能变化，明晰其转录调控方式，构建全局调控网络，最终阐明Cra在琥珀酸合成过程中调控内源CO2固定基因表达的分子机制。本项目首次利用转录因子全局性调控CO2固定反应，增强琥珀酸生物合成，研究成果预期将为从转录水平调控基因表达提供理论支撑。

结项摘要

琥珀酸被美国能源部列为12种最具潜力的大宗生物基化学品之首，从磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)到草酰乙酸的CO2固定反应是其合成途径的关键步骤，此反应由PEP羧化激酶(PCK)和羧化酶(PPC)催化完成。课题组前期过表达了CO2固定基因pck和ppc，琥珀酸产量有所提高，但由于细胞的特定表型往往由多个基因共同调控，仅对个别基因的改造难以达到预期效果。为了进一步增强琥珀酸合成，本项目以大肠杆菌全局转录因子Cra为研究对象，根据转录因子Cra的配体调控域已有的晶体结构信息，利用势能函数计算氨基酸残基取代时的自由能变化，从20个氨基酸中识别关键残基，采用定点突变进行多氨基酸取代，筛选到最优的三点突变方向(D101R+D148R+G274R、D148R+A248F+G274R和N73Y+D148R+G274R)，琥珀酸产量提高了25%以上，实现了Cra蛋白结构的优化。在此基础上，比较Cra突变前后的构象变化及与DNA及配体结合能的变化，确定三点突变后Cra与配体FBP产生了更强的结合力，且能更紧密的与CO2固定的关键基因pck的启动子区域进行识别与结合，从而激活磷酸烯醇式丙酮酸羧化途径。另一方面，以Cra结构域和核糖阻遏蛋白RbsR调控域拼接构成的嵌合体Cra(FFhR)，采用基因芯片技术筛选出FFhR作用下的差异表达基因351个，其中与琥珀酸合成相关基因10个。通过绘制大肠杆菌的代谢网络图谱，并计算FFhR突变产生的代谢流量变化，构建全局调控网络，明确了嵌合体FFhR使胞内代谢流重新分布，进一步激活了CO2固定及乙醛酸支路，从而促进了琥珀酸的生物合成的调控机制。本项目首次利用转录因子全局性调控CO2固定反应，增强琥珀酸生物合成，研究成果将为从转录水平调控基因表达提供理论支撑。

项目成果

期刊论文数量（15）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（0）
Discover the leading compound of 4β-S-(5-fluorobenzoxazole)-4-deoxy-4'-demethylepipodophyllotoxin with millimolar-potency toxicity by modifying the molecule structure of podophyllotoxin
通过修饰鬼臼毒素的分子结构，发现具有毫摩尔级毒性的4β-S-(5-氟苯并恶唑)-4-脱氧-4'-去甲基表鬼臼毒素的先导化合物
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    European Journal of Medicinal Chemistry
  • 影响因子：
    6.7
  • 作者：
    Zhang Qing-Yun;Zhao Wei;Tang Ya-Jie
  • 通讯作者：
    Tang Ya-Jie
Current advances of succinate biosynthesis in metabolically engineered Escherichia coli
代谢工程大肠杆菌中琥珀酸生物合成的最新进展
  • DOI：
    10.1016/j.biotechadv.2017.09.007
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    Biotechnology Advances
  • 影响因子：
    16
  • 作者：
    Zhu Li-Wen;Tang Ya-Jie
  • 通讯作者：
    Tang Ya-Jie
Enhancing succinic acid biosynthesis in Escherichia coli by engineering its global transcription factor, catabolite repressor/activator (Cra)
通过改造大肠杆菌的全局转录因子、分解代谢物阻遏物/激活物 (Cra) 来增强大肠杆菌中的琥珀酸生物合成
  • DOI：
    10.1038/srep36526
  • 发表时间：
    2016
  • 期刊：
    Scientific Reports
  • 影响因子：
    4.6
  • 作者：
    Zhu Li-Wen;Xia Shi-Tao;Wei Li-Na;Li Hong-Mei;Yuan Zhan-Peng;Tang Ya-Jie
  • 通讯作者：
    Tang Ya-Jie
Structural Insights into the Inhibition of Tubulin by the Antitumor Agent 4 beta-(1,2,4-triazol-3-ylthio)-4-deoxypodophyllotoxin
抗肿瘤剂 4 beta-(1,2,4-三唑-3-基硫基)-4-脱氧鬼臼毒素抑制微管蛋白的结构见解
  • DOI：
    10.1021/acschembio.6b00842
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    ACS Chemical Biology
  • 影响因子：
    4
  • 作者：
    Zhao Wei;Chen Fusheng;Zhou Chen;Tang Ya-Jie;Guan Ze-Yuan;Yin Ping;Guan Ze-Yuan;Yin Ping;Chen FS;Tang YJ;Yin P;Yin P
  • 通讯作者：
    Yin P
Multilevel induction of apoptosis by microtubule-interfering inhibitors 4 beta-S-aromatic heterocyclic podophyllum derivatives causing multi-fold mitochondrial depolarization and PKA signaling pathways in HeLa cells
微管干扰抑制剂4β-S-芳香杂环鬼臼衍生物多水平诱导细胞凋亡，引起HeLa细胞中多重线粒体去极化和PKA信号通路
  • DOI：
    10.18632/oncotarget.8147
  • 发表时间：
    2016
  • 期刊：
    Oncotarget
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Zhang Ya-Xuan;Zhao Wei;Tang Ya-Jie
  • 通讯作者：
    Tang Ya-Jie

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其他文献

琥珀酸生物合成过程中CO_2代谢调控的研究进展
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    中国科学:生命科学
  • 影响因子：
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  • 作者：
    朱丽雯;孙林阳;汤亚杰
  • 通讯作者：
    汤亚杰
CTRP9对心血管保护作用的研究进展
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    心脏杂志
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    李瑶;王天册;朱丽雯;张正斌;谭延振;孙阳;易蔚
  • 通讯作者：
    易蔚
运动对心血管保护作用的机制
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    心脏杂志
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    王天册;李瑶;朱丽雯;张正斌;张冰;冯攀;孙阳;易蔚
  • 通讯作者：
    易蔚
CTRP9对心血管保护作用的研究进展
  • DOI：
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  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    心脏杂志
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    李瑶;王天册;朱丽雯;张正斌;谭延振;孙阳;易蔚
  • 通讯作者：
    易蔚
运动对心血管保护作用的机制
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    心脏杂志
  • 影响因子：
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  • 作者：
    王天册;李瑶;朱丽雯;张正斌;张冰;冯攀;孙阳;易蔚
  • 通讯作者：
    易蔚

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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