研究背景

為了研究畢氏酵母發(fā)酵過程中基因的變化，吉林大學梁重陽團隊以畢氏酵母對甲醇適應(yīng)性發(fā)酵rHSA(人重組白蛋白)過程為模型，研究了畢氏酵母發(fā)酵過程中轉(zhuǎn)錄組學與關(guān)鍵發(fā)酵階段的關(guān)系。該研究最近以“Transcriptional Regulation of AerobicMetabolism in Pichia pastoris Fermentation”為題發(fā)表于著名學術(shù)期刊PLOS ONE，烈冰生信團隊在測序和生信分析方面給予了有力的支持。
酵母發(fā)酵過程主要有5個時間節(jié)點，1-(12h)-對數(shù)生長期，2-(30h)-甲醇取代甘油作為能源起始點，3-(48h)-酵母適應(yīng)甲醇生長階段，4-(90h)-產(chǎn)物積累頂峰，5-(108h)-發(fā)酵結(jié)束和產(chǎn)物降解。酵母發(fā)酵過程有兩個關(guān)鍵階段，限制碳源替代和甲醇誘導蛋白表達。限制碳源替代就是把酵母發(fā)酵的能源從甘油轉(zhuǎn)變?yōu)榧状迹湍感枰?jīng)過一段時間的適應(yīng)過程才能繼續(xù)生長；甲醇誘導蛋白表達是酵母適應(yīng)了甲醇以后大批量生產(chǎn)蛋白及末期細胞凋亡和產(chǎn)物降解的過程。為了探究這兩個階段中基因發(fā)生的變化，分別取這兩個階段中三個重要的節(jié)點做了趨勢分析（1-2-3即限制碳源替代和3-4-5即甲醇誘導蛋白表達）。用GO-Term進行聚類，最后通過co-exp-net鎖定一個與氧化還原代謝相關(guān)的基因PAS_chr2-1_0582，并通過同源重組的方法敲除目的基因，發(fā)現(xiàn)醇類消耗是對照組的1/5，過氧化物酶體生成也是減少的。

分析思路

實驗取了5個不同發(fā)酵節(jié)點的畢氏酵母，提取RNA，進行測序，分別對1-2-3和3-4-5兩個階段進行轉(zhuǎn)錄組學研究，通過生物信息分析，鎖定目的基因，并通過基因敲除實驗驗證此基因在發(fā)酵過程中的核心地位。

１. 首先建立了甲醇誘導畢氏酵母發(fā)酵表達rHSA的經(jīng)典發(fā)酵模型。

2. 分別對1-2-3和3-4-5兩種結(jié)果進行了趨勢分析，并對差異基因進行GO功能富集。發(fā)現(xiàn)1-2-3階段趨勢6和趨勢7（上升的趨勢）主要與囊孢子形成和跨膜轉(zhuǎn)運等相關(guān)，而趨勢0和趨勢1（下降的趨勢）主要與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)有關(guān)。這與酵母發(fā)酵生長曲線使一致的。而3-4-5階段趨勢5（先升后降）和趨勢3（先平后降）主要與蛋白轉(zhuǎn)運相關(guān)。

3. 分別對1-2-3和3-4-5兩個階段的相關(guān)基因做了共表達網(wǎng)絡(luò)分析，找出核心基因。
1）對1-2-3階段 GO分析中192個相關(guān)的基因做動態(tài)共表達網(wǎng)絡(luò)分析，找出K-core值大于或等于10的29個核心基因，發(fā)現(xiàn)這些基因都集中分布在單一的子網(wǎng)絡(luò)，均為下降的趨勢，而這些基因均與細胞生長有關(guān)，這與發(fā)酵過程中細胞生長曲線是一致的。

  2）對3-4-5 階段GO分析中231個相關(guān)的基因做動態(tài)共表達網(wǎng)絡(luò)分析，找出此階段核心基因，大多數(shù)核心差異基因與蛋白轉(zhuǎn)運和膜轉(zhuǎn)運相關(guān)。

4. 針對以上兩個階段的核心基因分別做了Go-Gene-Tree，發(fā)現(xiàn)兩個階段都是與氧化還原過程相關(guān)的。
1）在1-2-3階段Go-Gene-Tree。可以看到差異基因主要與需氧呼吸和三羧酸循環(huán)有關(guān)。

  2）在3-4-5階段Go-Gene-Tree，發(fā)現(xiàn)核心基因都是與氧化還原過程的步驟是相關(guān)的，比如有氧呼吸、電子傳遞鏈、NADPH生成等過程。基因主要與需氧呼吸和三羧酸循環(huán)有關(guān)。

5. 選取了與氧化還原過程相關(guān)的核心基因PAS_chr2-1_0582運用同源重組進行敲除驗證發(fā)現(xiàn)此基因敲除可抑制醇類的消耗，證明了此基因確實與氧化還原過程相關(guān)。

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