葡萄糖抑制(glucose repression)是存在于大多數(shù)微生物中的一個(gè)中心調(diào)控系統(tǒng)，借此抑制其他碳源的代謝途徑，保證以最經(jīng)濟(jì)和高效的方式優(yōu)先利用能效最高的碳源葡萄糖。葡萄糖抑制機(jī)制在酵母菌的不同譜系中獨(dú)立進(jìn)化并逐漸加強(qiáng)，最終在釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中趨于完善。在S. cerevisiae中，極低的葡萄糖濃度即可誘發(fā)抑制效應(yīng)。通過這一機(jī)制，S. cerevisiae在通常以葡萄糖為優(yōu)勢(shì)碳源的自然和人工發(fā)酵環(huán)境中獲得了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，成為優(yōu)勢(shì)種群。
在馬奶酒、開菲爾酸奶和其他傳統(tǒng)發(fā)酵乳制品的自然發(fā)酵過程中，S. cerevisiae也是優(yōu)勢(shì)種群之一。從中分離出的S. cerevisiae菌株形成了一個(gè)與葡萄酒發(fā)酵菌株近緣的獨(dú)立譜系，稱為馬奶酒譜系。然而，S. cerevisiae并不能利用奶中的主要碳源乳糖，只能靠利用其他微生物將乳糖降解后產(chǎn)生的葡萄糖和半乳糖而生存。在自然發(fā)酵乳制品中，存在多種微生物，在大多數(shù)微生物都存在葡萄糖抑制效應(yīng)的情況下，當(dāng)乳糖被降解為等量的葡萄糖和半乳糖后，都會(huì)優(yōu)先爭(zhēng)搶葡萄糖，而半乳糖則被暫時(shí)閑置。如果反過來，避開對(duì)葡萄糖的激烈競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)先利用半乳糖，建立起生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)后再參與對(duì)葡萄糖的爭(zhēng)奪，對(duì)不能直接利用乳糖的微生物來說，無疑是一個(gè)非常有利的生存策略。
中國(guó)科學(xué)院微生物研究所真菌學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室白逢彥研究組發(fā)現(xiàn)，S. cerevisiae的馬奶酒譜系確實(shí)實(shí)現(xiàn)了這一聰明的競(jìng)爭(zhēng)策略。對(duì)其分子機(jī)制的研究結(jié)果表明，馬奶酒譜系菌株通過半乳糖(GAL)代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控元件的一系列協(xié)同變異，完全解除了葡萄糖抑制效應(yīng)，并將GAL網(wǎng)絡(luò)從一個(gè)誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)組成型表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，通過基因漸滲，將GAL網(wǎng)絡(luò)中的所有結(jié)構(gòu)基因(GAL2和GAL7-10-1基因簇)回復(fù)為進(jìn)化過程中的早期版本，且將GAL2的拷貝數(shù)倍增。而葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因HXT6和HXT7卻被刪除或失去表達(dá)能力，其功能自然被分化程度尚低、仍保留較強(qiáng)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力的老版本GAL2所替代。借此，馬奶酒菌株實(shí)現(xiàn)了即時(shí)、快速和優(yōu)先利用半乳糖，并可同時(shí)利用葡萄糖的目的。
該項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，在馬奶酒酵母菌株中，GAL2的表達(dá)需要GAL7或GAL10任一基因的產(chǎn)物，而Gal2p的轉(zhuǎn)運(yùn)功能則需要Gal1p的參與。這是GAL結(jié)構(gòu)基因之間具有相互作用的首次發(fā)現(xiàn)。顯然，來自同一物種的協(xié)同進(jìn)化的GAL結(jié)構(gòu)基因之間可進(jìn)行最有效的互作。這也解釋了馬奶酒酵母菌株為何要從同一個(gè)古老物種中同時(shí)置換所有GAL結(jié)構(gòu)基因，盡管GAL2和GAL7-10-1基因簇位于不同的染色體上。
這一研究展示了一個(gè)因生態(tài)適應(yīng)而發(fā)生的基因網(wǎng)絡(luò)逆向進(jìn)化的典型案例，通過這一逆向進(jìn)化，S. cerevisiae的馬奶酒譜系在自然發(fā)酵乳環(huán)境中獲得了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。該研究還發(fā)現(xiàn)了GAL網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)新的調(diào)控層面，為研究這一經(jīng)典模式網(wǎng)絡(luò)中的基因調(diào)控機(jī)制提出了新的課題。同時(shí)，這項(xiàng)研究結(jié)果還為構(gòu)建避免葡萄糖抑制效應(yīng)，以便同時(shí)高效利用不同碳源的酵母細(xì)胞工廠或工程菌，提供了新的策略。
北京百歐博偉生物技術(shù)有限公司的中國(guó)微生物菌種查詢網(wǎng)提供微生物菌種保藏、測(cè)序、購(gòu)買等服務(wù),是中國(guó)微生物菌種保藏中心的服務(wù)平臺(tái)，并且是集微生物菌種、菌種,ATCC菌種、細(xì)胞、培養(yǎng)基為一體的大型微生物查詢類網(wǎng)站，自設(shè)設(shè)備及技術(shù)的微生物菌種保藏中心！歡迎廣大客戶來詢！