来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
微生物细胞工厂的构建常因异源蛋白过量表达引发胞内蛋白稳态失衡，但宿主遗传背景在这一过程中的作用长期被忽视。加拿大不列颠哥伦比亚大学团队以工业重要酶种——漆酶（laccase）为模型，系统比较了两种不同起源的酿酒酵母菌株在重组漆酶生产过程中的蛋白质组响应差异。研究发现，异源漆酶的表达不仅触发非折叠蛋白响应（UPR），还导致中心碳代谢、氨基酸合成及氧化还原平衡等多个功能模块的重塑，且这些改变的幅度与方向强烈依赖于宿主菌株的遗传起源。该研究为理性选择底盘菌株、定向优化蛋白质分泌途径提供了第一个蛋白质组水平的全景证据，发表于 *Semantic Scholar*（2025）。
研究背景
漆酶（EC 1.10.3.2）是一类含铜多酚氧化酶，能够催化多种芳香族化合物的氧化，同时将分子氧还原为水，在纸浆漂白、染料脱色、生物传感器及木质纤维素降解等领域具有广阔应用前景。然而，天然漆酶产量低、分离成本高，采用重组微生物进行异源生产是实现其工业化应用的主要途径。酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）作为真核模式生物兼公认安全的工业微生物，是外源漆酶表达的常用宿主。
长期以来，酵母异源蛋白生产的优化主要聚焦于转录调控、密码子优化、信号肽筛选及发酵工艺等方面，而宿主菌株本身的遗传背景所决定的蛋白质稳态网络差异，尚未得到充分重视。不同酿酒酵母菌株虽然在基因组序列层面高度保守，但在工业生产性状上表现出极大的表型多样性，如对乙醇耐受性、蛋白质分泌能力和氧化应激抗性等。已有零星研究表明，工业菌株与实验室菌株在基础蛋白质组和胁迫响应程序上存在显著差异，但这些差异如何影响异源蛋白（尤其是需经复杂折叠和后修饰的蛋白如漆酶）的生产，仍缺乏系统性认知。
本研究正是针对这一空白，选取了实验室常用菌株BY4741和一株具有良好分泌能力的工业菌株作为对象，通过高分辨率定量蛋白质组学，解析重组漆酶表达对两株菌蛋白质组的全局扰动，试图回答：相同外源蛋白的过量生产，是否会在不同遗传背景的宿主中激发截然不同的细胞应答策略？哪些关键通路的变化与漆酶产量差异相关联？
研究方法
研究团队构建了携带白腐菌来源漆酶基因的表达载体，在强组成型启动子控制下，分别转化入两株酿酒酵母：实验室菌株BY4741（衍生自S288c）和工业菌株ATCC 4124（具有耐高温、高产乙醇特性）。通过抗生素筛选及酶活测定，获得稳定生产漆酶的工程菌株，并以携带空载体的对应菌株作为对照。
为了捕捉细胞在异源蛋白生产过程中的动态变化，研究人员在指数生长期中期取样，采用基于数据非依赖采集（DIA）的定量蛋白质组学技术进行分析。样本经细胞裂解、胰蛋白酶酶解、肽段脱盐后，在超高分辨质谱仪上以DIA模式采集，利用Spectronaut软件进行肽段鉴定和定量。每个菌株设置三个生物学重复，严格控制假阳性率（FDR < 1%）。最终定量到超过4000个酵母蛋白，覆盖了主要的细胞功能和代谢通路。
针对差异表达蛋白，团队进行了系统的生物信息学分析：利用基因本体（GO）富集分析识别显著改变的生物过程；通过KEGG通路映射发现受影响的代谢和信号通路；使用层次聚类和主成分分析（PCA）展示菌株间和条件间的蛋白质组变异模式。特别地，研究人员重点关注了与蛋白质折叠和质量控制、分泌途径、氧化还原稳态以及中心碳代谢相关的蛋白模块。此外，还通过实时定量PCR和免疫印迹对部分关键蛋白的表达水平进行了独立验证，确保蛋白质组数据的可靠性。胞外漆酶活性则以ABTS为底物测定，并结合生物量对产量进行归一化。
研究结果
漆酶活性测定显示，工业菌株ATCC 4124的胞外漆酶产量达到实验室菌株BY4741的约4.2倍，表明其蛋白分泌能力显著占优。然而，蛋白质组学分析揭示，这背后伴随的是截然不同的细胞内分子景观。
首先，两株菌在表达重组漆酶后均触发了非折叠蛋白响应（UPR），但强度与组成差异明显。BY4741中，UPR标志分子伴侣Kar2p（Bip）和Pdi1p分别上调2.8倍和2.3倍，且内质网相关降解（ERAD）通路组分Hrd1p、Doa10p显著积累，显示出强烈的内质网应激。相反，在ATCC 4124中，Kar2p仅上调1.5倍，ERAD组分无明显变化，而更侧重于氧化折叠环境的维持——Ero1p和多种过氧化物酶（如Tsa1p）表达明显升高，提示工业菌株通过强化氧化折叠能力和活性氧清除，避免了过度应激。
第二，中心碳代谢的重塑方向截然相反。在BY4741菌株中，糖酵解关键酶（如Eno2p、Pyk1p）和磷酸戊糖途径的Zwf1p均出现下调，同时线粒体呼吸链组分（如Cox2p、Atp2p）表达量降低，暗示碳通量可能向乙醇发酵倾斜，能量供应受到抑制。而在ATCC 4124中，糖酵解通路上调，且三羧酸循环酶类（如Idh1p、Kgd2p）丰度增加，展现出以呼吸代谢高效提供ATP和合成前体来支撑蛋白大量生产的模式。该菌株还显著上调了多种氨基酸的生物合成酶，包括亮氨酸、精氨酸和赖氨酸合成途径成员，这为高水平的异源蛋白合成保证了充足的前体供应。
第三，氧化还原平衡和氧化应激响应呈现菌株特异性。BY4741中，虽然超氧化物歧化酶Sod1p上调，但过氧化氢酶Ctt1p和谷氧还蛋白Grx1p显著下降，整体呈现抗氧化防御能力衰退的趋势，与UPR诱发的氧化应激相吻合。ATCC 4124则显示出更为协调的氧化应激响应——谷胱甘肽合成酶（Gsh1p）和硫氧还蛋白还原酶（Trr1p）均被上调，细胞内还原型谷胱甘肽水平提高了约1.6倍，有效缓冲了漆酶折叠过程中产生的氧化压力。
最后，蛋白质合成与质量控制机制的差异亦十分显著。BY4741中核糖体蛋白普遍下调，翻译活性呈现整体降低，这可能是细胞为缓解内质网胁迫而采取的被动减缓策略。而在ATCC 4124中，尽管核糖体生物合成相关蛋白也略有下降，但胞质分子伴侣系统（Ssa1p、Hsp82p）和自噬相关蛋白Atg8p显著上调，表明工业菌株通过增强蛋白重新折叠能力和泛素-蛋白酶体系统之外的降解通路，维持了较高的异源蛋白流通量。
讨论与展望
该研究通过比较蛋白质组学清晰地证明：异源漆酶生产对酿酒酵母蛋白质组的扰动效应并非常数，而是高度依赖于宿主的遗传起源。实验室驯化菌株BY4741对内质网应激的耐受窗口较窄，容易引发翻译抑制和代谢失调，这可能是其分泌产量受限的分子基础。相反，工业菌株ATCC 4124凭借更灵活的氧化还原调控、维持高效的中心代谢及协调多层次蛋白质稳态网络，能够在较高胁迫负荷下仍保持较高的异源蛋白通量。这项工作超越了传统的单菌株优化范式，将底盘菌株的“内源性特质”提升至理性设计的前台。
从应用角度看，本研究提示，针对不同遗传背景的宿主，需要定制化的工程改造策略。对于类似BY4741的敏感型菌株，强化内质网折叠能力、改善氧化还原平衡可能会带来显著增益；而对于ATCC 4124型耐受菌株，进一步扩大氨基酸供给、优化分泌囊泡运输或成为提升漆酶产量的关键。蛋白质组数据中鉴定的多个差异蛋白节点（如Grx1p、Atg8p、Kgd2p）值得作为后续代谢工程和合成生物学改造的靶点。
尽管如此，该研究仅选取了两株代表性菌株，菌株间遗传差异的具体因果位点尚需通过数量性状基因座（QTL）定位或全基因组编辑等手段进一步解析。漆酶的翻译后修饰（特别是铜离子装配）在不同菌株中的效率是否与蛋白质组改变存在耦合，也是一个值得深究的问题。此外，将本研究建立的蛋白质组指纹图谱与高通量菌株筛选结合，有望开发出快速评估底盘菌株生产潜力的预测模型，加速细胞工厂的定制化开发。这些探索将推动从“试错优化”向“知识驱动的微生物制造”范式转变。
参考来源
Wong R, Chandhok S, Hui E, et al. Recombinant Laccase Production Causes Alterations of the *S. cerevisiae* Proteome that are Dependent on the Strain Origins. *Semantic Scholar*, 2025. DOI: 10.64898/2025.12.22.696128
DOI: 10.64898/2025.12.22.696128