项目文章 | 上海农科院运用基因+转录+蛋白组学探究猴头菌高产多糖的机制研究

（点击图片了解详情）

2021年3月，欧易/鹿明生物客户上海市农业科学院食用菌研究所杨焱教授课题组在BMC Genomics期刊发表的题为“Key metabolism pathways and regulatory mechanisms of high polysaccharide yielding in Hericium erinaceus”的研究成果，通过基因组学、转录组学和蛋白质组学研究方法，揭示了猴头菌多糖合成增加与碳水化合物代谢和葡萄糖信号调节失衡相关的机制，为猴头菌中多糖的合成提供了重要的理论基础。

猴头菌（Hericium erinaceus）是我国著名的名贵食药真菌，已成为功能性食品和医药工业的宝贵资源。多糖（Polysaccharides）是猴头菌主要的生物活性化合物，具有提高免疫力、抗癌、降血脂、抗氧化、护胃、降血糖、抗衰老等多种生物活性[1]。通常来讲，猴头菌的多糖主要来源于子实体和液体深层发酵菌丝体，其产量受菌种、培养条件和环境调控的影响。选育多糖产量高的菌株是提高猴头菇子实体和菌丝体质量的有效途径。作者的前期研究中培育出两种多糖产量较高的猴头菌突变菌株（HEB和HEC）[2]，然而突变株多糖产量高的原因和机制需要进一步确定。目前，关于猴头菌胞内多糖合成的报道还很少，关键基因和生物合成通路仍有待进一步探索。

1.培养多糖产量高的猴头菌

原始菌株和突变体之间存在明显的拮抗反应（图 1a）。菌株HEB和HEC的液体发酵生物量高于原始菌株HEA，增加率分别为25.96%和30.37%。突变株HEB和HEC发酵菌丝体中的多糖含量比HEA增加了23.25%和47.45%（图1b）。统计分析表明，HEC和HEB的多糖含量与HEA有显著差异。通过配备多角度激光散射和折光率检测器（HPSEC-MALLSRI）的高效尺寸排阻色谱揭示了HEA和HEC之间明显不同的多糖组分X10-H3P20（图1c）。该纯化多糖X10-H3P20的分子量约为1.056 × 106 Da（图 1d），单糖组成主要由葡萄糖组成，比例为92%（图 1e），同时含有β-构型糖苷键（图1f）。

图1 | 原始菌株与突变株间多糖生物量、含量、结构特征的比较

2.基因组测序和一般特征

猴头菌基因组序列使用SMRT Link v5.0.1 进行组装，然后通过将reads与组装的序列进行比对进行评估，以获得最终的组装结果（图2和表1）。

图2 | 猴头菌的基因组特征

组装基因组序列的预测生成了9780个基因模型。编码基因平均长度为1355 bp，编码区总长度占全基因组的比例为34.74%。外显子平均大小为235 bp，内含子平均大小为70 bp。7137个基因编码的蛋白质在NCBI nr蛋白质数据库中具有同源序列，6854个基因可通过KEGG通路数据库进行映射（表1）。

表1 | 猴头菌基因组的一般特征

系统基因组学分析表明，猴头菌与Dentipellis sp具有最接近的进化亲和力（图 3a）。这两个物种位于Russulales群中，与Polyporales有着共同的祖先。基因家族大小分析表明Russulales和Polyporales进化过程中丢失大量基因（图3b）。猴头菌富集基因的WEGO分析表明，代谢过程、初级代谢过程和其他类型的代谢过程都属于富集的生物过程（图3d）。

图3 | 猴头菌的比较基因组分析

3.猴头菌的比较转录组分析

猴头菌的转录组分析显示HEB_vs_HEA 中有2068个差异表达基因，HEC_vs_HEA中有1218个差异表达基因（图4a和b）。与HEA相比，HEB和HEC有768个相同的差异表达基因（图4c）。差异基因的热图分析表明HEB和HEC聚集在一起（图 4d）。差异基因的GO富集分析表明，HEB和HEC最显著富集的GO条目相似（图4e和f）。通路富集分析表明突变株HEB和HEC中的上调通路涉及碳水化合物代谢，而下调通路与蛋白质翻译密切相关。

图4 | 猴头菌的转录组分析

4.猴头菌的比较蛋白质组分析

使用BCA方法测定蛋白质浓度，发现与HEA相比，HEB和HEC中的蛋白质浓度降低（图5a）。在HEB_vs_HEA中鉴定出343种差异表达蛋白（ratio≥1.2，p < 0.05），在HEC_vs_HEA中鉴定出266 种差异蛋白（图5b和c）。与HEA相比，HEB和HEC中的上调蛋白显著富集到了丙酮酸代谢、乙醛酸和二羧酸代谢以及糖酵解/糖异生通路（图5d）；下调蛋白显著富集了寿命调节、过氧化物酶体和MAPK信号通路（图5d）。碳水化合物代谢通路中变化的蛋白可以促进葡萄糖-6-磷酸酶的产生（图5f），从而为多糖合成提供中间体。

图5 | 猴头菌的蛋白质组学分析

5.假设的蘑菇多糖生物合成通路的多组学分析

基于已报道[3]的假设的蘑菇多糖生物合成通路（MPBP），作者通过匹配酵母序列获得了猴头菌中的20种同源基因。参与MPBP的基因其mRNA水平热图显示HEA和两种突变菌株之间的差异显著（图6a），其中FBP1、UGDH、GAL10和UXS1在突变株中显著上调（图6b）。上调基因中含有已知的参与多糖重复单元生物合成的基因（图6c），这解释了突变菌株中多糖的高产量。

MPBP中的20个同源基因富集到氨基糖和核苷酸糖代谢、糖酵解/糖异生、半乳糖代谢、果糖和甘露糖代谢（图6d）。qPCR和PRM验证了多数共表达基因在转录组和蛋白质组都具有相似的表达趋势（图6f）。差异共表达基因共享许多参与碳水化合物代谢的KEGG通路（图6e），因此，它们的上调可以增加碳水化合物代谢的活性，以在多糖生产中提供重复单位。

图6 | 猴头菌中MPBP的多组学分析

6.与β-葡聚糖产生相关的葡萄糖信号调节失衡的多组学分析

考虑到单糖组成中92%的葡萄糖比率和由HEC产生的新多糖部分中的β-构型糖苷键（图1e和f），作者进一步对β-葡聚糖生物合成过程（GBP）进行了多组学分析，以便探索葡聚糖生产的调控通路。使用酵母GBP基因序列进行blastp获得了猴头菌中的146个同源基因。维恩分析表明，HEB_vs_HEA有41个参与GBP的差异基因，而HEC_vs_HEA只有14个差异基因（图7a）。这些差异基因在MAPK信号通路、细胞周期、减数分裂等通路中富集（图7b）。

多组学数据的相关性分析表明，蛋白质组学数据中HEB和HEC与HEA的负相关性比转录组数据中更强（图7c），表明HEA与突变株之间的蛋白质表达存在明显差异。维恩分析显示，在长寿调节通路和酵母减数分裂通路中存在12个基因（图7d），其中大部分属于RAS-cAMP-PKA通路（图7e）。使用blastp获得了猴头菌中12个序列的150个同源基因。热图分析证实，与HEA和HEB相比，HEC中RAS-cAMP-PKA通路的蛋白质表达谱显著降低（图7f）。由于RAS-cAMP-PKA通路充当葡萄糖信号通路，RAS-cAMP-PKA通路中蛋白质表达的降低可能会在猴头菌中失去葡萄糖感应。考虑到与HEB相比，HEC中多糖含量的高度增加（图1b），RAS-cAMP-PKA通路的活性下调可能是β-葡聚糖高产量的原因。

图7 | 猴头菌多糖合成调控通路的多组学分析

7.突变猴头菌中多糖高产量的推测模型

接着作者在野生株HEA中进行了外源细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）1/4/9 P276-00抑制剂实验，结果表明CDK1/4/9 P276-00增加了猴头菌细胞内多糖含量（图 8a），证实了RAS-cAMP-PKA通路在多糖合成中的调节作用。同时，β-葡聚糖含量也以浓度依赖性方式增加（图8b），这与突变菌株HEC中单糖组成中葡萄糖比例增加和产生新β-葡聚糖部分的结果一致（图1e和f)。这些观察结果表明，抑制S期进展可能导致突变的猴头菌中产生高多糖。

图8 | 使用外源CDK抑制剂处理猴头菌后的一般特征

基于上述数据，作者提出了突变的猴头菌中多糖高产量的推定模型。RAS-cAMP-PKA通路的表达降低可能导致葡萄糖响应的长时间延迟，失去葡萄糖感应信号反应，最终抑制S期进展。S期进展的阻断可能会诱导参与多糖生产的通路，以及涉及从葡萄糖-6-磷酸酶进一步合成重复单元的通路（图6c）。下调的核糖体蛋白降低了蛋白质翻译活性，并可能与S期进展的阻滞相互作用。先前的研究表明Sch9通过其效应子Rim15在PKA下游的Ras-cAMP通路中发挥作用[4]。本文结果表明Sch9可能在减少翻译起始以及阻止S期进展中起作用。

本文研究采用单分子实时测序技术报道了猴头菌原始菌株基因组学，并对ARTP诱变获得的突变菌株与原始菌株进行多组学分析。多组学分析表明，增加的碳水化合物代谢和葡萄糖-6-磷酸酶的产生构成了突变菌株高多糖产量的基础。进一步发现RAS-cAMP-PKA通路的活性降低可能通过阻止S期进展促进高多糖和β-葡聚糖的产生。该研究揭示了多糖合成增加与碳水化合物代谢和葡萄糖信号调节失衡相关的机制，并为猴头菌中多糖的产生提供了重要的理论和实践基础。

猴头菌是一种食用药用真菌，广泛应用于食品和医药领域。其多糖是主要的生物活性化合物，在医疗保健行业中具有很高的价值。本文通过基因组学、转录组学和蛋白质组学技术分析了猴头菌和其高多糖产量的突变株，发现了增加的碳水化合物代谢和葡萄糖-6-磷酸酶的产生构成了突变菌株高多糖产量的基础，揭示了降低的RAS-cAMP-PKA通路活性通过阻止S期进展从而促进高多糖和β-葡聚糖产生的机制。本文通过多组学技术研究机制的思路值得借鉴。

参考文献：

1. Wu D, Tang C, Liu Y, Li Q, Wang W, Zhou S, Zhang Z, Cui F, Yang Y. Structural elucidation and immunomodulatory activity of a β-D-glucan prepared by freeze-thawing from Hericium erinaceus. Carbohydr Polym. 2019;222:114996.

2.Zhu L, Wu D, Zhang H, Li Q, Zhang Z, Liu Y, Zhou S, Wang W, Li Z, Yang Y. Effects of Atmospheric and Room Temperature Plasma (ARTP) mutagenesis on physicochemical characteristics and immune activity in vitro of hericium erinaceus polysaccharides. Molecules. 2019;24(2):262

3.Wang Q, Wang F, Xu Z, Ding Z. Bioactive mushroom polysaccharides: a review on monosaccharide composition, biosynthesis and regulation. Molecules. 2017;22(6):955.

4.Roosen J, Engelen K, Marchal K, Mathys J, Griffioen G, Cameroni E, Thevelein JM, De Virgilio C, De Moor B, Winderickx J. PKA and Sch9 control a molecular switch important for the proper adaptation to nutrient availability. Mol Microbiol. 2005;55(3):862–80.

猜你还想看

◆项目文章 | 福建农林大学何水林团队揭示植物协调免疫-耐热-生长平衡的新机制

◆Molecular Plant | 双平台代谢组学联合分析揭示番茄复合体中果实多酚的途径结构和代谢调控

◆Cell | 肠道关注：一篇整合了肠道微生物组、代谢组、宿主表观基因组和转录组的纵向多组学研究

◆项目文章 | 恭喜王关红课题组宿主基因组与微生物组的共适应研究喜登Science子刊

END

云起 撰文

欢迎转发到朋友圈

本文系鹿明生物原创

转载请注明本文转自鹿明生物