STK-12は転写ブレーキとして機能し、Neurospora crassaのセルラーゼコード遺伝子の発現を制御する

STK-12 acts as a transcriptional brake to control the expression of cellulase-encoding genes in Neurospora crassa.

• Liangcai Lin
• Shanshan Wang
• Xiaolin Li
• Qun He
• J Philipp Benz
• Chaoguang Tian

抄録

セルロースを分解する真菌は、成長と加水分解酵素の生産に必要な栄養素の正確なバランスを維持するために、複雑な制御ネットワークを進化させてきました。菌類がセルロースにさらされると、セルラーゼ遺伝子の転写物レベルは急速に増加し、その後減少する。しかし、このベル型の発現パターンのメカニズムは不明である。我々は、糸状菌Neurospora crassaのプロテインキナーゼ欠失セットを系統的にスクリーニングし、セルラーゼ遺伝子の異常発現パターンを示す変異体を探索した。その結果、stk-12（NCU07378）を欠損させると、セルラーゼ産生が劇的に増加し、主要なセルラーゼ遺伝子のトランスクリプトアバンダンスが長期間にわたって高発現することが明らかになった。これらの結果から、stk-12はセルラーゼ遺伝子の転写を抑制して加水分解酵素の過剰発現を抑制し、エネルギーの浪費を防ぐブレーキとして重要な役割を果たしていることが示唆された。転写プロファイリング解析の結果、Δstk-12変異株では、野生型（WT）株ではわずか8時間であったセルラーゼ遺伝子の発現レベルが56時間にわたって高レベルに維持されていることが明らかになった。セルロース上で3日間生育させた後、Δstk-12変異株のセルラーゼ遺伝子の転写レベルはWT株の3.3倍となり、Δstk-12ではclr-2（転写活性化因子をコードする）が上昇したが、res-1とrca-1（2つのセルラーゼリプレッサーをコードする）は低下していた。その結果、Δstk-12変異体の総セルラーゼ産生量はWTと比較して7倍に増加した。このように、STK-12を欠失すると、セルラーゼ発現機構が制御不能になることを強く示唆しています。また、STK-12はIGO-1を直接標的にしてセルラーゼ産生を制御していることが明らかになった。TORC1経路はSTK-12の機能を阻害することで少なくとも部分的にセルラーゼ産生を促進し、STK-12とCRE-1は並行してセルラーゼ遺伝子の発現を抑制する経路で機能していることが明らかになった。これらの結果は、セルロース誘導時にセルラーゼ遺伝子が転写レベルでどのように抑制されるかを明らかにし、工業用真菌株の改良に向けた新たな戦略を明らかにするものである。

Cellulolytic fungi have evolved a complex regulatory network to maintain the precise balance of nutrients required for growth and hydrolytic enzyme production. When fungi are exposed to cellulose, the transcript levels of cellulase genes rapidly increase and then decline. However, the mechanisms underlying this bell-shaped expression pattern are unclear. We systematically screened a protein kinase deletion set in the filamentous fungus Neurospora crassa to search for mutants exhibiting aberrant expression patterns of cellulase genes. We observed that the loss of stk-12 (NCU07378) caused a dramatic increase in cellulase production and an extended period of high transcript abundance of major cellulase genes. These results suggested that stk-12 plays a critical role as a brake to turn down the transcription of cellulase genes to repress the overexpression of hydrolytic enzymes and prevent energy wastage. Transcriptional profiling analyses revealed that cellulase gene expression levels were maintained at high levels for 56 h in the Δstk-12 mutant, compared to only 8 h in the wild-type (WT) strain. After growth on cellulose for 3 days, the transcript levels of cellulase genes in the Δstk-12 mutant were 3.3-fold over WT, and clr-2 (encoding a transcriptional activator) was up-regulated in Δstk-12 while res-1 and rca-1 (encoding two cellulase repressors) were down-regulated. Consequently, total cellulase production in the Δstk-12 mutant was 7-fold higher than in the WT. These results strongly suggest that stk-12 deletion results in dysregulation of the cellulase expression machinery. Further analyses showed that STK-12 directly targets IGO-1 to regulate cellulase production. The TORC1 pathway promoted cellulase production, at least partly, by inhibiting STK-12 function, and STK-12 and CRE-1 functioned in parallel pathways to repress cellulase gene expression. Our results clarify how cellulase genes are repressed at the transcriptional level during cellulose induction, and highlight a new strategy to improve industrial fungal strains.