2025年11月11日，天津大學王方忠教授團隊在Chemical Engineering Journal（IF: 13.2）在線發表了題為Accelerated fatty acid biosynthesis by an RCC1-domain protein enables record-high productivity in Schizochytrium的研究論文，該研究借助DAP-seq技術闡明了RCC1結構域蛋白Srcc1在裂殖壺菌中調控脂肪酸生物合成的機制及其在高密度發酵中的應用，將微生物油脂生產推向了新的高度。藍景科信為該研究提供了DAP-seq技術支持。
化石燃料枯竭及環境問題推動了可再生能源與高價值脂肪酸（如生物柴油原料、ω-3多不飽和脂肪酸）的可持續生產需求。微生物細胞工廠因避免與糧食作物爭地、環境友好等優勢成為脂肪酸合成的理想選擇，但普遍存在產量和生產力低的問題，限制了其商業化競爭力。裂殖壺菌（Schizochytrium sp.）作為海洋異養微藻，具有生長快速、生物量積累能力強、脂質含量高的特點，是潛力的生產宿主，但有限的遺傳工具制約了其代謝網絡重編程效率，需挖掘新型調控機制提升脂肪酸合成效率。Regulator of Chromosome Condensation 1（RCC1）蛋白作為核蛋白，已被證實可提升纖維素酶和乙醇的生產效率，但在脂肪酸生物合成中的作用尚未被探索。
主要研究結果
核心發現一：構建高密度發酵平臺，精準鑒定脂肪酸合成關聯蛋白 Srcc1
1、新型調控因子Srcc1的鑒定
本研究以裂殖壺菌ZW0菌株為研究對象，建立高密度發酵工藝，并同時結合時間序列轉錄組分析，追蹤脂肪酸合成關鍵時期的基因表達動態。結果顯示有一個基因呈現出與脂肪酸積累顯著的共表達模式：在脂質快速合成階段，該基因表達量持續上調。通過BLASTp分析發現，該基因編碼一種含保守RCC1結構域的未表征蛋白（Srcc1）。序列比對結果證實，Srcc1在破囊壺菌科內具有保守性，同時在解脂耶氏酵母等其他產油酵母中也存在親緣關系較遠的同源蛋白。鑒于該基因的表達與脂質積累表型的緊密共表達特性，以及其在不同產油微生物中的系統發育保守性，提示其可能參與脂肪酸合成調控。
圖1 在5升生物反應器中對ZW0菌株進行發酵及保守的RCC1蛋白鑒定
2、Srcc1功能驗證
過表達Srcc1后，裂殖壺菌的脂肪酸合成速率提升1.35-1.41倍，總脂肪酸含量增加1.30-1.33倍，細胞內脂質滴面積擴大3.36-3.93倍，細胞體積增大1.79-2.59倍。進一步在不同碳氮比（3:1和5:1）條件下驗證，證實Srcc1對脂肪酸合成的促進作用具有穩定性，且不依賴特定C/N環境。隨后，作者檢測了C40（碳氮比=2:1）和C100（碳氮比=5:1）培養條件下三羧酸循環（TCA 循環）關鍵酶的活性及相關代謝物水平，發現該增效不影響三羧酸循環功能，僅增強檸檬酸向乙酰輔酶 A的碳通量。
圖2 親本菌株與RCC1轉化子的發酵性能比較
核心發現二：三靶基因協同作用介導Srcc1的脂肪酸調控效應
1、解析Srcc1核定位特性
為探究Srcc1是否在轉錄水平影響脂肪酸合成，構建Srcc1-GFP融合表達載體并轉化裂殖壺菌，結合DAPI核染色與共聚焦顯微鏡證實，該蛋白特異性定位于細胞核，這支持其作為轉錄調控因子的潛在功能。
2、鎖定三大核心靶基因
為鑒定Srcc1的直接轉錄靶基因，作者開展了DNA親和純化測序（DAP-seq），并篩選出在兩次重復實驗中啟動子區域結合峰均顯著富集的基因。然后進一步挑選出脂肪酸降解、脂肪酸生物合成、NADPH生成及氧化還原酶活性相關通路的靶基因。通過Srcc1過表達菌株中候選基因的轉錄本水平，scaffold1256.g2、scaffold228.g6、scaffold287.g3、scaffold4.g24、scaffold51.g17及scaffold1693.g1被鑒定為Srcc1的潛在直接靶點。
進一步EMSA結果證實，Srcc1能與所有候選基因的啟動子區域發生特異性結合。ChIP-qPCR實驗結果可見，在scaffold4.g24（編碼丙二酰輔酶 A：ACP 轉酰酶）、scaffold287.g3（編碼酰基輔酶 A合成酶）和scaffold1693.g1（編碼NAD激酶）的啟動子區域檢測到Srcc1的顯著富集，而在scaffold51.g17、scaffold228.g6和scaffold1256.g2的啟動子區域未檢測到顯著富集。這些結果表明，Srcc1可直接激活丙二酰輔酶 A：ACP轉酰酶、酰基輔酶 A合成酶以及NAD激酶的轉錄，從而促進裂殖壺菌ZW0菌株中的脂肪酸生物合成。
圖3 RCC1對脂肪酸合成的直接調控機制
3、解析Srcc1介導的脂肪酸生物合成調控網絡
為評估每個Srcc1靶向基因對脂肪酸積累的獨立作用，作者分別構建三個靶基因的單獨過表達載體及三基因共表達載體，轉化裂殖壺菌后進行發酵表型分析（DCW、TFA 含量、積累速率測定），發現單獨過表達單個靶基因僅能部分重現Srcc1過表達的脂肪酸增強表型，而三基因共表達菌株可恢復Srcc1介導的脂肪酸合成速率和含量提升效應的90%以上，證實這三個基因是Srcc1調控脂肪酸生物合成的核心功能靶標，其協同作用構成Srcc1調控網絡的關鍵通路。
圖4 親本菌株與單基因過表達菌株的發酵特性
圖5 親本菌株與三基因過表達菌株的表型比較
核心發現三：Srcc1工程菌株發酵性能突破已知微生物平臺
在5-L生物反應器中，Srcc1過表達菌株的總脂肪酸含量、效價、得率和生產強度較原始菌株分別提升1.20倍、1.27倍、1.27倍和1.42倍，發酵周期縮短8小時。最終脂肪酸甲酯（FAME）效價達107.28±4.94 g/L，生產強度為1.58±0.07 g/L/h，超越目前已報道的微生物產脂系統（包括裂殖壺菌、解脂耶氏酵母等底盤）。
圖6 裂殖壺菌RCC1-1菌株在5升生物反應器中的發酵曲線
小結
本研究揭示了RCC1結構域蛋白Srcc1作為轉錄激活因子，通過直接調控三個關鍵酶基因協同促進裂殖壺菌脂肪酸合成的機制。構建的高產工程菌株具有發酵周期短、產率高、成本低的優勢，為生物柴油、營養脂質（如DHA）等產品的工業化生產提供了優質底盤和技術支撐。為產油微生物的多靶點轉錄工程提供了新范式，對推動生物基化學品的可持續生產具有重要意義。
圖7 Srcc1調控脂肪酸合成的機制解析模式圖
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