University of Groningen
Improving Bacillus subtilis as a cell factory for heterologous protein production by adjusting
global regulatory networks
Cao, Haojie
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Publication date: 2018
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Cao, H. (2018). Improving Bacillus subtilis as a cell factory for heterologous protein production by adjusting global regulatory networks. University of Groningen.
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Nederlandse samenvatting
de laat stationaire fase. Ondanks dat de exacte mechanismes van heterogeniteit in GFP expressie nog niet compleet zijn geeft deze studie een nieuwe kijk op het tot over expressie brengen van recombinante eiwitten, en draagt het bij aan het beter ge-bruiken van B. subtilis als werkpaard voor de industrie.
We zijn nu in staat om de hele cel begrijpelijk te maken door het gebruik van ‘omics’ technologieën, en vele systematische studies hebben onze kennis van de complexe metabole en re-gulatoire netwerken van B. Subtilis verbeterd. Daarnaast bren-gen nieuwe synthetische biologie technieken zoals CRISPR-Cas9 en gTME ongekende mogelijkheden met zich mee op het gebied van genetische engineering, waarmee in potentie stammen nog sneller en beter veranderd kunnen worden. Ongetwijfeld staan we nog maar aan het begin van het gebruik van B. subtilis als zeer aanpasbaar chassis voor zowel betere, en gevarieerdere producten. Desondanks zullen nieuwe inzichten in de com-plexe structuur van regulatoire netwerken, en de snelle ontwik-kelingen van technieken er voor zorgen dat we super-produce-rende cellen kunnen maken in de toekomst.
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中文总结中
在自然环境中，野生型的细菌进化出了精密而又复杂的调控系统，使 其能够通过利用各种各样的营养资源，更好地适应不断变化的生长条 件。凭借这套错综复杂的调控体系，细菌可以通过感知体内关键代谢 物的水平，进而激发相应的代谢调节以及运动机制，趋利避害。然而， 细菌对于人为强加的任务—高水平表达具有工业和商业价值的蛋白质， 尤其是异源蛋白，其相对应的生产能力并没有在自然进化中得到加强。 因此，改良现有的优秀细胞工厂如枯草芽孢杆菌成为更好的表达宿主， 以用来高水平表达各种异源重组蛋白。贯穿整个论文，我们使用传统 和新型的基因工程方法和分析手段，探索了在枯草芽孢杆菌中进一步 提高分泌型和胞内蛋白质的生产能力，并调查了蛋白过表达背后的原 因。 在第2章中，我们研究了枯草芽孢杆菌细胞表面（特别是细胞膜）的 组成与带有不同等电点（pI）的重组α-淀粉酶变体分泌能力的关系。 在本章节中，我们采用了密码子优化，可控表达系统，分泌系统特异 性修饰等手段组合而成的菌种改良策略，用于有效提高靶蛋白的分泌 效率。细胞膜磷脂双分子层相关酶PssA和/或ClsA的缺失被证明有助于 提高α-淀粉酶的分泌量。尽管我们还不能完全了解在蛋白分泌过程中 分泌对象和膜脂质双分子层之间相互作用，但本研究表明，表达宿主的 分泌能力与其细胞膜中总阴离子磷脂（磷脂酰甘油和心磷脂）含量显著 正相关。 在第3章中，我们采用高通量的gTME方法先后对多效转录调控因子 CodY和CcpA进行随机诱变，以获取目标蛋白高表达的表型。然后，通 过黑白斑筛选的方法，快速有效地分离出靶蛋白—β-半乳糖苷酶的产 量大幅增强的突变体。在筛选出的最佳表型CodYR214CCcpAT19S中，调控 蛋白CodY和CcpA上负责与DNA相结合的HTH结构域内分别有一个氨基酸 被替换，相对于野生型对照，其β-半乳糖苷酶的表达水平提高至290 ％。在此研究中，我们精心设计的异源蛋白表达的增强策略，能将代谢 通路优化的范围扩大至全细胞水平，即使没有对代谢网络的完整掌握， 也可以直接有效地实现菌种改良。除β-半乳糖苷酶之外，其他重组蛋 白（包括绿色荧光蛋白，木聚糖酶和肽酶）也能够在CodYR214CCcpAT19S中 显著地得到更好地表达。由于不同蛋白质的过表达途径对胞内营养源具 有利用差异，因此不同的蛋白质在我们获得改良宿主中的表达增强程度 各异。167
中文总结中
在自然环境中，野生型的细菌进化出了精密而又复杂的调控系统，使 其能够通过利用各种各样的营养资源，更好地适应不断变化的生长条 件。凭借这套错综复杂的调控体系，细菌可以通过感知体内关键代谢 物的水平，进而激发相应的代谢调节以及运动机制，趋利避害。然而， 细菌对于人为强加的任务—高水平表达具有工业和商业价值的蛋白质， 尤其是异源蛋白，其相对应的生产能力并没有在自然进化中得到加强。 因此，改良现有的优秀细胞工厂如枯草芽孢杆菌成为更好的表达宿主， 以用来高水平表达各种异源重组蛋白。贯穿整个论文，我们使用传统 和新型的基因工程方法和分析手段，探索了在枯草芽孢杆菌中进一步 提高分泌型和胞内蛋白质的生产能力，并调查了蛋白过表达背后的原 因。 在第2章中，我们研究了枯草芽孢杆菌细胞表面（特别是细胞膜）的 组成与带有不同等电点（pI）的重组α-淀粉酶变体分泌能力的关系。 在本章节中，我们采用了密码子优化，可控表达系统，分泌系统特异 性修饰等手段组合而成的菌种改良策略，用于有效提高靶蛋白的分泌 效率。细胞膜磷脂双分子层相关酶PssA和/或ClsA的缺失被证明有助于 提高α-淀粉酶的分泌量。尽管我们还不能完全了解在蛋白分泌过程中 分泌对象和膜脂质双分子层之间相互作用，但本研究表明，表达宿主的 分泌能力与其细胞膜中总阴离子磷脂（磷脂酰甘油和心磷脂）含量显著 正相关。 在第3章中，我们采用高通量的gTME方法先后对多效转录调控因子 CodY和CcpA进行随机诱变，以获取目标蛋白高表达的表型。然后，通 过黑白斑筛选的方法，快速有效地分离出靶蛋白—β-半乳糖苷酶的产 量大幅增强的突变体。在筛选出的最佳表型CodYR214CCcpAT19S中，调控 蛋白CodY和CcpA上负责与DNA相结合的HTH结构域内分别有一个氨基酸 被替换，相对于野生型对照，其β-半乳糖苷酶的表达水平提高至290 ％。在此研究中，我们精心设计的异源蛋白表达的增强策略，能将代谢 通路优化的范围扩大至全细胞水平，即使没有对代谢网络的完整掌握， 也可以直接有效地实现菌种改良。除β-半乳糖苷酶之外，其他重组蛋 白（包括绿色荧光蛋白，木聚糖酶和肽酶）也能够在CodYR214CCcpAT19S中 显著地得到更好地表达。由于不同蛋白质的过表达途径对胞内营养源具 有利用差异，因此不同的蛋白质在我们获得改良宿主中的表达增强程度 各异。168
中文摘要
在 第 4 章 中 ， 我 们 对 在 第 3 章 中 获 得 的 突 变 菌 株
CodYR214C，CcpAT19S，CodYR214CCcpAT19S进行了转录组分析（RNA-Seq）。此
外，通过凝胶电泳迁移率变动分析（EMSA）分别对两个调控蛋白突变 体进行DNA-蛋白结合亲和力的检测。实验表明，两个多效转录调控因 子的HTH结构域内的氨基酸突变改变了其对直接作用基因的整体结合特 异性， 进而重组了整个相对应的代谢网络的活动。具体是，碳代谢通 路被进一步抑制，而氮代谢的抑制作用则有明显的减弱，这两个通路 变化协调作用导致在全系统水平上的代谢迁移，从而增强了靶蛋白的 合成能力。此外，只有一小部分（约1/10）被调控基因表现出对突变 CodY和CcpA的显著响应，很可能是由于绝大多数目标基因的表达受制 于复杂的，多种形式的调控，以确保细胞内的活动维持在相对稳定的状 态。同时，细胞内必需的能量和元素的供应者—中心碳代谢网络，已 经在长期的自然进化过程中得到充分优化，其对于转录扰动的响应较 弱。相比之下，在第3章中已经证明，氮代谢网络仍然可以被进一步调 整以实现异源重组蛋白高水平合成。 在第5章中，我们证明GFP在同一宿主细胞中的合成能力是随时间 动态变化的，并且其在具有不同多效调控蛋白突变背景的菌株中荧 光强度也有很大不同。在群体水平上，携带CodYR214C的菌株在生长速 度和GFP表达方面显示出高度的相似性。与野生型CodY的表达宿主相 比，CodYR214C菌株尽管生长速度略慢，但具有更高的GFP总产量。我们最 初认为这是生长速度不同造成的结果，但在单细胞和亚群体水平的检 测推翻了这一推论，其证明总蛋白质产量与高表达群体的同质性相关。 尤其是在稳定生长末期阶段，源自于多效调控蛋白的表达异质性，也被 认为是在这个案例中的表型噪声，与我们评估的表达宿主中的总GFP产 量呈负相关。尽管我们仍未全面掌握GFP表达异质性的详细机制，本章 节仍然为重组蛋白的过表达研究展现了全新的视角，并为进一步增强枯 草芽孢杆菌作为细胞工厂的应用奠定基础。 我们如今能够通过组学分析的手段来获得细胞内部重要信息，而许 多系统的相关研究也大大增强了我们对枯草芽孢杆菌复杂的代谢和调控 网络的了解。同时，新开发的系统和合成生物学技术（如CRISPR-Cas9 和gTME）提供了前所未有的菌株改良手段。毫无疑问，我们目前仍处于 开发枯草芽孢杆菌成为更高水平表达更多种类的产物的高适应性菌株的 早期阶段。尽管如此，我们对复杂的胞内代谢调控网络的更加详尽的掌 握以及技术手段的巨大进步将有助于超级细胞工厂的成功构建。
