Engineered Saccharomyces cerevisiae as a Biosynthetic Platform of Nucleotide Sugars

核苷酸糖 酿酒酵母 尿苷二磷酸 核苷酸 生物合成 尿苷二磷酸葡萄糖 糖基化 生物化学 木糖 尿苷 化学 基因 发酵 核糖核酸
作者
Samantha A. Crowe,Xixi Zhao,Fei Gan,Xiaoyue Chen,Graham A. Hudson,M. Astolfi,Henrik Vibe Scheller,Yuzhong Liu,Jay D. Keasling
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:13 (4): 1215-1224 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acssynbio.3c00666
摘要

Glycosylation of biomolecules can greatly alter their physicochemical properties, cellular recognition, subcellular localization, and immunogenicity. Glycosylation reactions rely on the stepwise addition of sugars using nucleotide diphosphate (NDP)-sugars. Making these substrates readily available will greatly accelerate the characterization of new glycosylation reactions, elucidation of their underlying regulation mechanisms, and production of glycosylated molecules. In this work, we engineered Saccharomyces cerevisiae to heterologously express nucleotide sugar synthases to access a wide variety of uridine diphosphate (UDP)-sugars from simple starting materials (i.e., glucose and galactose). Specifically, activated glucose, uridine diphosphate d-glucose (UDP-d-Glc), can be converted to UDP-d-glucuronic acid (UDP-d-GlcA), UDP-d-xylose (UDP-d-Xyl), UDP-d-apiose (UDP-d-Api), UDP-d-fucose (UDP-d-Fuc), UDP-l-rhamnose (UDP-l-Rha), UDP-l-arabinopyranose (UDP-l-Arap), and UDP-l-arabinofuranose (UDP-l-Araf) using the corresponding nucleotide sugar synthases of plant and microbial origins. We also expressed genes encoding the salvage pathway to directly activate free sugars to achieve the biosynthesis of UDP-l-Arap and UDP-l-Araf. We observed strong inhibition of UDP-d-Glc 6-dehydrogenase (UGD) by the downstream product UDP-d-Xyl, which we circumvented using an induction system (Tet-On) to delay the production of UDP-d-Xyl to maintain the upstream UDP-sugar pool. Finally, we performed a time-course study using strains containing the biosynthetic pathways to produce five non-native UDP-sugars to elucidate their time-dependent interconversion and the role of UDP-d-Xyl in regulating UDP-sugar metabolism. These engineered yeast strains are a robust platform to (i) functionally characterize sugar synthases in vivo, (ii) biosynthesize a diverse selection of UDP-sugars, (iii) examine the regulation of intracellular UDP-sugar interconversions, and (iv) produce glycosylated secondary metabolites and proteins.
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