ZNF1转录因子的过表达增强了Schizochytrium sp.中的脂质和DHA生物合成

《Biochemical Engineering Journal》：Overexpression of a ZNF1 Transcription Factor Enhances Lipid and DHA Biosynthesis in Schizochytrium sp.

Schizochytrium sp. ZNF1增强DHA合成及脂质积累的研究发现其作为关键转录因子调控脂代谢，过表达使DHA产量提升76.84%至15.58g/L，总脂含量提高29.25%。

　　在当今快速发展的生命与健康产业中，功能性脂质化合物的研究和开发日益受到关注。其中，二十二碳六烯酸（DHA）作为一种关键的ω-3多不饱和脂肪酸（PUFAs），在人类健康中具有不可替代的作用。DHA不仅对中枢神经系统、视网膜和细胞膜的正常结构和功能至关重要，还在促进大脑和视觉发育、增强认知能力、调节免疫反应以及降低心血管疾病风险等方面发挥着重要作用。随着DHA在婴儿配方奶粉、功能性健康补充剂、药品、化妆品等领域的广泛应用，市场对高纯度和安全的DHA需求也不断增长。然而，传统的DHA来源主要依赖于深海鱼油，其使用受到了多种限制，包括海洋资源的有限性、重金属污染的风险以及鱼腥味的困扰。这些因素使得满足不断扩大的工业需求变得愈发困难，因此开发替代的生产方法和技术显得尤为重要。

近年来，一种名为*Schizochytrium* sp. 的微生物因其快速生长、高脂质积累能力以及对DHA生物合成的强选择性而被广泛应用于工业DHA生产。这种微生物的细胞中，脂质含量可以超过干重细胞的50%，其中DHA通常占总脂质的30%以上，成为目前所有油脂微生物中DHA产量最高的之一。为了进一步提高DHA的产量，研究人员已经探索了多种调控策略，包括针对碳代谢、脂肪酸合成和脂质积累途径的调控。当前，提高*Schizochytrium* sp. 中DHA产量的主要方法包括优化培养条件、重构代谢途径以及过表达关键的合成酶。在发酵层面，优化碳氮比、溶解氧浓度以及补充代谢前体或诱导物等措施已被证明能够改善碳流分配并促进DHA的积累。此外，在代谢工程的研究中，过表达脂肪酸合成（FAS）和聚酮合酶（PKS）途径中的结构基因，已被广泛用于提升脂肪酸的合成能力。同时，增强关键脂质相关酶的表达，如二酰甘油酰基转移酶（DGAT）、ATP柠檬酸裂解酶（ACL）和乙酰辅酶A羧化酶（ACC），也被证实有助于提高脂肪酸的合成和储存效率，从而显著提升脂质和DHA的产量。其他策略还包括删除竞争性代谢途径以及强化中间代谢物的供应，以提高整体脂肪酸生物合成的效率。尽管在优化*Schizochytrium* sp. 的DHA生产方面取得了诸多进展，但在理解其脂质生物合成的全局转录调控网络方面仍存在关键的空白。由于碳流分配、能量分配与脂肪酸合成之间的复杂相互作用，识别能够协调多个代谢基因表达的上游调控因子显得尤为重要。作为核心的上游调控机制，转录调控能够同时调控多个代谢基因的表达，从而实现对代谢过程的精细控制。这种调控策略在其他油脂微生物中已经显示出良好的应用前景。因此，识别和研究*Schizochytrium* sp. 中参与脂质代谢的关键转录因子，可能为提升DHA产量提供新的策略。

锌指蛋白是真核生物中最庞大的转录调控因子家族之一，其特征在于通过保守的半胱氨酸和组氨酸残基与锌离子结合，形成稳定的三维结构，从而有助于与DNA、RNA或其他生物分子的结合。在*Schizochytrium* sp. H016中，ZNF1蛋白被鉴定为一种具有典型锌指结构的转录因子，其包含五个串联排列的C2H2型锌指结构域，每个结构域由21个氨基酸残基组成。这些锌指结构域在转录调控中起着关键作用，通过识别特定的DNA序列来调控基因的表达。ZNF1蛋白由436个氨基酸组成，其结构和功能的深入研究为理解其在脂质代谢中的作用提供了基础。

在本研究中，ZNF1被鉴定为一种关键的转录因子，并通过实验验证了其在*Schizochytrium* sp. 中的作用。通过过表达ZNF1，研究发现其显著增强了葡萄糖的利用效率、生物量的积累以及脂质的合成，从而提高了总脂质产量和DHA含量。实验结果显示，ZNF1过表达菌株在分批补料发酵中达到了15.58 g/L的DHA产量，相比野生型菌株提高了76.84%。同时，总脂质含量和脂质产量分别提高了29.25%和94.32%。这些结果表明，ZNF1在*Schizochytrium* sp. 的脂质代谢和DHA生物合成中起着关键的调控作用，为微生物代谢工程策略提供了重要的靶点，有助于提升微生物生产的ω-3多不饱和脂肪酸的产量。

为了进一步探究ZNF1的功能，研究团队通过分子生物学手段对其进行了系统分析。实验发现，ZNF1不仅能够调控脂肪酸合成和DHA生物合成相关的基因，还能够调控脂肪酸合成前体基因的表达。这表明ZNF1在脂质代谢中具有广泛的调控作用，能够协调多个代谢通路的活动。此外，ZNF1过表达菌株在5升生物反应器中的发酵实验也显示了其在工业应用中的潜力。实验过程中，通过优化培养条件和发酵参数，研究团队进一步验证了ZNF1对DHA产量的提升效果。这些结果不仅为理解*Schizochytrium* sp. 的脂质代谢机制提供了新的视角，也为开发高效的DHA生产技术奠定了基础。

在讨论部分，研究团队指出转录因子在微生物代谢调控中的重要作用。在复杂的代谢网络中，如脂质生物合成，关键酶基因的表达受到严格的调控，从而实现对代谢流的精确分配，提高产物积累的效率。尽管*Schizochytrium* sp. 已被广泛认为是DHA的重要微生物生产者，但对其脂质代谢的调控机制仍缺乏系统性的理解。因此，研究团队强调，深入挖掘ZNF1在脂质代谢中的作用机制，不仅有助于揭示*Schizochytrium* sp. 的代谢调控网络，还能够为优化DHA生产提供新的思路和方法。

此外，研究团队还提到，本研究的资金支持来自国家自然科学基金（项目编号21908074）以及湖北省食用与药用资源工程技术研究中心（项目编号2018BEC463）。这些资金的投入为研究提供了必要的实验条件和技术支持，使得研究团队能够深入进行相关实验并取得突破性的成果。同时，研究团队也对作者的贡献进行了说明，其中Feifan Zhao和Bohan Wang负责方法设计和数据分析，Yumei Feng负责论文撰写和项目构思，Yuanmin Zhu负责资源协调和数据管理，Pei Xu负责方法设计和项目构思，Longjiang Yu负责论文审阅和项目监督。这些分工使得研究工作得以顺利进行，并最终取得了令人瞩目的成果。

最后，研究团队声明，所有作者均未涉及任何可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。同时，研究团队也对支持单位表达了感谢，特别感谢华中科技大学生命科学研究中心核心设施对本研究的大力支持。这些支持为研究提供了必要的实验设备和技术平台，使得研究团队能够顺利完成实验并获得高质量的数据。

综上所述，本研究不仅揭示了ZNF1在*Schizochytrium* sp. 中的关键作用，还为微生物代谢工程策略提供了新的靶点，有助于提升DHA的产量。通过深入研究ZNF1的功能机制，研究团队为理解*Schizochytrium* sp. 的脂质代谢调控网络提供了重要的科学依据，也为未来开发高效、安全的DHA生产技术奠定了基础。随着对ZNF1及其调控机制的进一步探索，有望在微生物生产领域取得更多突破，推动DHA在工业和医疗领域的广泛应用。