基于翻译组学的酵母有氧发酵途径翻译调控的进化机制研究

Aerobic fermentation is a new metabolic pathway which independently originated in baker's yeast clade about 100 million years ago. The molecular mechanisms of evolution of aerobic fermentation would contribute equally importance to both basic sciences and applied research. Translatome is one of major omics for biological information transfer, which links the transcriptome and proteome. The research of translatome had been a hot topic in model organisms such as human, mouse, yeast and E.coli. In previous study, we applied ribosome profiling method to uncover the translatome profiling of Lambda phage and found about 70% new genes which had never been studied. In this proposal, we intended to exert ribosome profiling technology to decipher the translatome and investigate the evolutionary mechanisms of translational regulation in aerobic fermentation process.By comparing the translatomes of baker's yeast and its' relatives, decoding the principle of translational regulation, mining new genes, studying the function of new genes, we proposed to dissect the mechanisms of translational regulation during aerobic fermentation and provide fundamental knowledge for rational design of yeast genome in synthetic biology.

有氧发酵是在酿酒酵母支系中独立起源和进化的一种新的细胞能量代谢途径，对其进化机制的系统研究有助于揭示细胞内代谢途径起源进化的基本规律，具有重要科学理论意义。翻译组是连接转录组和蛋白质组的重要生物信息传递层次。翻译组学研究已经成为重要模式生物（如人，小鼠，酵母和大肠杆菌）的研究热点。在前期研究中，我们已采用Ribosome Profiling技术研究了Lambda噬菌体的翻译组图谱，并发现了大量的从未被研究过的新基因（约占已知基因的70%）。本申请拟运用最新的Ribosome Profiling技术从翻译组学层面研究酿酒酵母有氧发酵过程中翻译调控的进化机制。通过比较研究酿酒酵母及其近缘物种的翻译组图谱,解析有氧发酵途径相关基因的翻译调控进化规律，发掘有氧发酵过程中的新基因，研究其在有氧发酵途径进化过程中的作用，我们将深入剖析代谢途径的自然进化规律，为酿酒酵母的合成生物学设计奠定重要理论基础。

有氧发酵是在酿酒酵母支系中独立起源和进化的一种新的细胞能量代谢途径，对其进化机制的系统研究有助于揭示细胞内代谢途径起源进化的基本规律，具有重要科学理论意义。为深入解析酵母有氧发酵进化机制，本项目（1）对酿酒酵母及其5 个近缘种进行了Ribosome profiling 测序和转录组测序；（2）比较分析了酵母及其近缘种的翻译组图谱，研究了直系同源基因的翻译调控机制及5’UTR 的进化规律，发现了一种高效5′ UTR翻译调控元件，解析了元件内部碱基之间遗传互相机制；（3）为进一步研究酵母有氧发酵途径进化机制，我们更深入的比较了独立进化出有氧发酵能力的酿酒酵母与布鲁塞尔德克酵母。通过对这两种酵母及其它们各自的不能进行有氧发酵的近缘种的基因组序列、转录谱以及染色体结构图谱，我们发现酵母基因组编码的线粒体相关基因启动子区缺失富含AT元件，是酿酒酵母和德克酵母进化出有氧发酵途径的关键原因。研究成果为阐明有氧发酵途径的进化机制提供了新证据。通过本项目的支持，我们在进化领域顶级刊物Molecular Biology and Evolution和合成生物学主流杂志ACS synthetic Biology等杂志上发表论文3篇，培养硕博研究生3人，基本完成了项目预期目标，特此申请结题。